基于SolidWorks Simulation对CRH380B动车组侧部外风挡运用检修重点的分析

张真彧

（中国铁路上海局集团有限公司南京动车段，江苏 南京 210012）

0 引言

外风挡的检修是保障动车安全运行的重要环节之一。CRH380B型动车组的外风挡由一个顶部外风挡和两个侧部外风挡所构成。由于受运用检修的修程与修制限制，使得侧部外风挡的高效高质检修存在一定难度。有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）是用有限数量的未知量去逼近无限未知量的数值分析方法[1]，其最早应用于航天航空事业。随着有限元分析理论的逐步成熟和计算机技术的快速发展，FEA方法迅速从航天航空事业扩展到几乎所有工程分析领域，目前已成为工程分析领域技术人员不可或缺的分析手段。因此，本文利用SolidWorks Simulation软件建模仿真，对CRH380B型动车组的侧部外风挡进行有限元分析，旨在明确该型动车组侧部外风挡检修的重点位置，实现高效率的动车组精检细修，确保动车组的运行安全。

1 CRH380B型动车组侧部外风挡的结构

CRH380B型动车组的侧部外风挡是根据其端墙外部轮廓设计而成，其长度方向与车体端墙外侧吻合，高度方向根据车端距设计而成。外风挡由胶囊与安装框组成，安装框包括内外围边、横梁以及内外压条。根据中国国家铁路标准TB/T3138-2006，CRH380B型动车组的侧部外风挡胶囊采用EPDM橡胶，安装框中的内外围边以及横梁均为铝合金型材6005A-T6，内外压条为铝合金板材A5083-H111。胶囊通过M8螺栓固定在安装框上，螺栓紧固扭矩为14.1 N.m。

2 侧部外风挡运用检修的标准与难点

根据中国铁路上海局集团有限公司南京动车段修订的《CRH380B型动车组一级检修作业指导书》（V6.0版）中的要求，作业人员必须检查外风挡是否出现撕裂、掉漆，外风挡的固定螺栓是否松动。以一级修为例，车下作业人数为2人，无电作业时间为60 min，期间作业人员须对轮对轴箱、转向架驱动设备、转向架牵引设备、转向架制动设备、一系悬挂、二系悬挂、车端连接设备、车体外皮、外显、裙底板、活动盖板等许多设备进行快速目视检查。但是，由于侧部外风挡表面积较大，高度较高，数量多且平台侧作业时有二层作业平台形成的视线干扰，导致作业人员在快节奏的检查中很难做到面面俱到。因此，为了避免漏检漏修的情况发生，对动车组侧部外风挡进行有限元分析，明确其检修重点位置显得尤为重要。

3 仿真软件的选择

SolidWorks Simulation 是一种与 SolidWorks完全集成的设计分析系统。SolidWorks Simulation通过近年来的发展，其精确程度有了相当大的提高，能够满足用户对应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析的需求[2]。同时，也凭借着其高性价比与快速解算器的强有力支持，使得用户能够使用个人计算机快速解决大型问题，节省大量设计所需的时间和精力，也可大大降低设计的测试成本。因此，本文使用SolidWorks Simulation软件对CRH380B型动车组的侧部外风挡进行有限元分析。

4 侧部外风挡的有限元分析

4.1 分析步骤

为分析动车组在运行时侧部外风挡受到负载后，自身应力、位移、应变的分布情况，利用SolidWorks Simulation软件对侧部外风挡几何模型建立与仿真。参考该软件应用教程[3]，设置的分析步骤为：建立零部件的几何模型→建立新算例→赋予零部件材料→划分网格→添加外部约束→施加外部载荷→运行算例→显示结果。

4.2 模型建立

为加快仿真速度，使仿真更有针对性，对一些不重要的零部件进行简化、压缩。将侧部外风挡框架中的内外围边、横梁以及内外压条视为刚性，主要研究侧部外风挡胶囊在受到负载后，自身应力、位移、应变的分布情况。

4.3 定义零部件材料

CRH380B型动车组的侧部外风挡胶囊为EPDM橡胶，安装框中的内外围边以及横梁均为铝合金型材6005A-T6，内外压条为铝合金板材A5083-H111。

4.4 划分网格

定义材料后，可对侧部外风挡进行网格划分。采用高品质网格，基于曲率的网格，设置雅可比点为4，网格单元最小尺寸设定为2.11mm，最大尺寸设定为10.57mm，节点总数为245632个，单元总数为146694个。由于外风挡胶囊与内外压条接触位置以及外风挡胶囊螺栓孔位置均为多个零部件的结合处，需要特别关注。所以将该部分的网格划分得更密集一些。

4.5 添加外部约束

根据唐山轨道客车有限责任公司用户文件CF17-DC025，侧部外风挡胶囊安装螺栓的扭矩为14.1N.m。为了简化仿真环境，使分析结果更有针对性，如图1所示，在SolidWorks Simulation系统中，对侧部外风挡胶囊与安装框架的连接定义为螺栓接头，扭矩加载为14.1N.m，外部约束只添加在外风挡安装框架上，其夹具类型为固定几何体，设定X，Y，Z轴方向上均无位移（图1绿色箭头处）。

4.6 施加外部载荷

当列车以350km/h速度在线路上运行时，通过差压传感器采集的数据对侧部外风挡的受压情况进行分析，得到侧部外风挡胶囊内侧与外侧受到的压差分别为63Pa与274Pa[4]。由于同一车端连接处两风挡间有缝隙，气流从缝隙进入风挡腔中，根据伯努利积分，胶囊内的流速小于车外流速，因此胶囊内的压力大于胶囊外的压力，拱形胶囊受到由胶囊内向胶囊外的拉力，造成侧部外风挡胶囊的外侧与内侧受力方向均为正。由于侧部外风挡胶囊在三维模型中为一连续曲面，Solidworks Simulation仿真系统无法区分其内侧与外侧。所以在建立侧部外风挡胶囊三维模型时，通过投影分割线的方式将其内侧与外侧进行划分，外侧添加大小为274Pa的压强载荷，内侧添加大小为63Pa的压强载荷，法向均向外（图1红色箭头处）。

4.7 有限元分析结果

完成以上步骤后，通过单击SolidWorks Simulation选项卡中的运行此算例按钮，即可运行算例，得出有限元分析结果。Von Mises等效应力云图（图2）中低应力区呈现为蓝色，高应力区呈现为绿色，应力越高的位置颜色越浅，最大应力位置呈现为红色。由此可见，CRH380B型动车组侧部外风挡胶囊的高应力区主要分布在胶囊与安装框架结合位置和胶囊弯折位置，最大应力位于螺栓孔处。此仿真结果说明胶囊与安装框架结合位置和胶囊弯折位置发生撕裂的概率大于其它位置，外风挡胶囊在螺栓孔处易发生变形。在实际检修中我们常发现胶囊弯折处有撕裂现象，螺栓安装孔处有扩孔现象，这些故障现象与本次仿真结果基本一致。

5 结论

本文依据有限元分析原理，利用SolidWorks Simulation软件分析了CRH380B型动车组侧部外风挡在工作载荷下的应力、位移、应变的分布情况，得出以下结论：

（1）在CRH380B型动车组侧部外风挡的运用检修中要对胶囊与安装框架结合位置和胶囊弯折位置进行重点检查，检查其有无撕裂。

（2）在CRH380B型动车组侧部外风挡的运用检修中要对外风挡安装螺栓位置进行重点检查，检查其有无扩孔现象[5]。

（3）将有限元分析方法应用到动车组运用检修中，通过分析动车组各个零部件在工作载荷下的应力、位移、应变的分布情况，可推断出该部件在运行时可靠性相对较低的位置，从而确定其检修重点，实现高效率的动车组精检细修，确保动车组的运行安全。