动车组高压箱安装结构强度仿真分析

2021-10-27陈静

现代制造技术与装备 2021年9期

陈静

（长春电子科技学院，长春 130012）

近年来，随着我国铁路工程的飞速发展，动车组以安全可靠、方便快捷以及节能环保等优势备受社会各界青睐。牵引系统高压电器设备作为动车组重要组成部分，其可靠性将会影响列车的安全性能，因此必须保证其具有足够的强度，从而确保承载安全。高压电器箱是连接车顶电缆与牵引变压器的中间部件。它的集成部件主要包括真空断路器、接地开关、高压隔离开关、电压互感器和避雷器等高压设备[1-2]。

在设计研发时，要考虑高压电器箱整体安装强度和疲劳等问题。因此，本文利用有限元分析方法对结构进行强度分析，依据《铁道应用：轨道车身的结构要求》（EN 12663-1-2010）标准校核高压箱安装结构和连接区域车体强度，并根据《焊接接头与部件的疲劳设计》（IIW-1823-07）标准对高压箱安装结构进行疲劳强度校核和结构安全性评定。

1 高压箱结构介绍

车顶高压电器箱安装结构由铝合金型材构成，材料牌号为6063-T5，屈服极限为130 MPa，高压箱主体材料为5083-H111，屈服极限125 MPa，连接区域车顶铝型材材料为6005-T6，屈服极限215 MPa，铝合金弹性模量为69 000 MPa，泊松比为0.33，密度为2.7 g·cm-3。高压箱通过20个M10的螺栓与车顶安装型材连接。

2 有限元模型建立

有限元分析是先将分析对象离散化，分割成有限个单元，再利用微积分逐渐逼近的原理，以有限未知量求解无限未知量的真实系统。利用Hypermesh软件对高压箱结构和车顶结构进行有限元网格的划分。为了使计算结果更加准确，模型构成以4节点薄壳Shell单元为主，利用梁单元模拟连接高压箱与车体的螺栓，用质量元模拟设备的质量，并将质量通过重心位置施加在相应安装梁上。根据车顶高压箱的位置，本文规定沿着车辆运行的方向为纵向（X轴），横向垂直行车方向为横向（Y轴），车体高度方向为垂向（Z轴），最终得到结构的有限元模型。整个结构的有限元模型中，单元总数为50 697个，节点总数为46 348个。

3 强度分析

3.1 静强度分析

采用《铁道应用：轨道车身的结构要求》（EN 12663-1-2010）标准分析高压箱安装结构的静强度时，应力不得大于部件所用材料的屈服强度，即：

式中：S1为屈服安全系数；σc为计算应力；R为材料的屈服极限；安全系数规定为1.0。

依据EN 12663-1-2010标准，对高压箱结构与连接区域车顶安装型材分别施加X向为3g的加速度，Y向为1g的加速度，Z向为3g的加速度，由3方向的加速度合成高压箱结构整体的加速度。由于高压箱安装在车体外部，故对高压箱顶部施加6 000 Pa的压强，使其和自重合成。具体工况如表1所示。

表1 静强度工况

3.2 疲劳强度分析

根据《焊接接头与部件的疲劳设计》（IIW-1823-07）标准进行疲劳强度分析，整体安装结构采用材料为铝型材，采用IIW标准中铝型材S-N曲线评估结构的疲劳强度。

根据结构要求，设定3个疲劳计算工况：纵向振动工况，要求应能够承受107次纵向振动加速度为±0.15g的循环载荷；横向振动工况，要求应能够承受107次横向振动加速度为±0.15g的循环载荷；垂向振动工况，要求应能够承受107次垂向振动加速度为±0.15g的循环载荷。

标准的寿命预测算法原理是基于Miner的线性疲劳损伤累积理论。线性疲劳损伤累积理论是指在不同载荷作用下各部分的累积损伤值可以线性叠加，不同应力循环互不干扰。当累积损伤达到一定限值时，该零部件会发生疲劳破坏[3]。

以ni表示载荷谱中应力范围为Δσi的循环次数，Ni表示在该应力范围时导致损坏的循环总数，则出现疲劳破坏的情况为：

在相关标准中，损伤比定义为：

式中：Δσ1和Δσ2为对应接头疲劳等级S-N曲线拐点应力值；C1和C2为常系数；m为S-N曲线的斜率[4]。

疲劳强度的判定过程及判定原则：首先，根据焊接接头形式和接头外部作用载荷方向确定焊接接头等级，参照标准取其等级为FAT71；其次，根据Miner线性损伤累积计算公式计算各疲劳工况下各点的损伤值；最后，将所有疲劳工况的损伤值相加，若总损伤值小于1，则符合要求[5]。

4 强度计算结果分析

4.1 静强度仿真计算

利用ANSYS软件进行强度分析，通过校核10种不同载荷工况下的高压箱安装结构以及连接区域车顶安装型材，得出第9工况中高压箱安装结构最大Von-Mises应力为113.116 MPa，小于材料许用应力130 MPa，安全系数为1.15，应力云图如图1所示。可见，该结构满足材料强度要求。

图1 工况九的高压箱安装结构应力云图

4.2 疲劳强度分析

经计算：不同疲劳强度工况下，高压箱安装结构累积损伤最大节点纵向振动工况计算应力为0.189 8 MPa，损伤为1.991×10-12；横向振动工况计算应力为-0.823 6 MPa，损伤为3.065×10-9；垂向振动工况计算应力为-6.561 8 MPa，损伤为9.842×10-5。最大疲劳损伤发生在高压箱与车体连接螺栓孔位置，最大累计损伤为9.842×10-5，小于标准中规定的疲劳损伤值1，因此结构满足疲劳强度要求。