摘要：本文研究了一种采用吊挂方式安装的地铁车下电气设备在不同工况下的结构强度和疲劳强度。利用Hypermesh软件建立有限元模型，使用Ansys进行分析计算，获得6种静态载荷工况和8种疲劳载荷工况下的等效应力分布情况。依据强度评判标准，计算结果表明，该电气设备结构强度和焊缝疲劳强度可以满足设计要求，能够保证地铁车辆的安全运营，也为其它吊挂设备的设计及优化提供了可靠的依据。
关键词：地铁车辆；电气设备；结构强度；疲劳；有限元分析
1概述
随着地铁运行速度的提高，这对地铁车辆设备结构安全性提出了更高的要求。作为地铁车辆关键零部件组成的车下设施，电气设备长期处于复杂的机械环境，使其必须面对各种类型的严格的使用环境，例如由于车体振动、冲击、倾斜摇摆、稳态加速度传来的振动，由此产生的结构强度和焊缝疲劳破坏严重影响着结构的安全性能。工程应用及相关研究指出，振动不仅影响机械结构的正常工作，还是引发工程结构疲劳破坏的主要原因[1]。当振动达到一定程度时，不仅会令乘客感到不舒适和疲劳，动载荷引起的损伤还会缩短车载设备的使用寿命，严重影响设备的性能和技术指标造，从而威胁到地铁车辆的运行安全[2]。
因此了解设备在地铁运行过程中的结构强度和疲劳强度情况，对保证设备的运行安全和使用寿命至关重要。蓄电池箱是车下电气设备中质量和体积较大的一类，对结构强度、疲劳强度要求更为苛刻，因此以蓄电池箱为例进行计算和分析。
2有限元模型建立
2.1几何模型
蓄电池箱安装支架通过8组紧固件吊挂在车体横梁上，几何模型如图1所示。主要由箱体框架、配电箱及蓄电池台车等部分构成。两个电池台车承载的电池组重量分别为260kg、247kg，配电箱及内部器件总重44kg，整体系统总重930kg。
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图1 蓄电池箱结构（隐藏顶部蒙板和左蒙板） 图2 蓄电池箱有限元模型
2.2有限元模型
采用Hypermesh为前处理软件，求解器和后处理软件是Optistruct及Hyperview。为方便有限元分析，模型中板材部件采用壳单元划分，非板材部分采用实体单元划分，单元平均尺寸为10mm，螺栓连接采用梁及RBE单元模拟。整体模型划分272477个单元、255575个节点，详细有限元结构的网格划分如图2所示。
2.3材料属性
箱体材质除左、右、顶部蒙板及箱门为铝板5083-H111外，其余均为不锈钢06Cr19Ni10。
表1 有限元分析采用的材料属性
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2.4计算工况和边界条件
根据EN12663-1:2010标准规定，蓄电池箱属于地铁车辆设备类，因此相关静态载荷工况可以按照标准中客车P-IV类别设备的载荷工况进行计算[3]。具体载荷工况见表2，表中g为重力加速度，取g=9810mm/s2。
表2 静强度载荷工况
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同时，依据EN12663-1:2010中P-II类规定的设备疲劳载荷，制定表3中的疲劳载荷工况。表中g为重力加速度，取g=9.81m/s2。
表3 疲劳载荷工况
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本文中对蓄电池箱进行约束加载计算时，依照实际工作环境，在蓄电池箱上方共8个安装吊座处施加全约束。
3评估准则
3.1母材静强度评估
通过有限元分析得到工况下设备结构的应力分布，蓄电池箱结构中所使用的材料均为塑性材料，只要构件内一点处的形状改变比能达到单向应力状态下的极限值，材料就会发生屈服破坏[4]。蓄电池箱主体结构钢材和铝材发生塑性变形标志着材料的失效，根据第四强度理论进行评估，选取等效应力（Von Mises Stress）来判断结构强度。
等效应力可以表示为：
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（1）
其中：.png)
为三个方向的主应力，i=1，2，3。
根据结构中所使用材料的屈服强度计算出结构的强度利用系数。
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（2）
其中：.png)
为有限元分析得到的结构等效应力，.png)
为材料许用强度。按照EN12663-1:2010标准要求的材料强度利用系数.png)
应该不大于1.0。
3.2焊缝疲劳强度评估
地铁车辆在复杂运行环境中，薄壳类箱体结构焊缝处最容易出现疲劳失效情况。焊缝疲劳强度按照DVS 1612:2009进行校核，其对应最小循环周期为107次，存活率为97.5%。由于DVS 1612:2009对应的疲劳寿命为2×106次，计算时将相应的疲劳极限强度转化为1×07所对应的疲劳极限，即计算所得存活率为97.5%下的无限寿命疲劳结果[5]。所评估焊缝均满足EN15085的相关规定。
根据DVS 1612:2009，焊缝合成疲劳强度利用系数.png)
根据以下计算：
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（3）
其中：.png)
是垂直于焊缝的强度利用系数，.png)
是平行于焊缝的强度利用系数，.png)
是焊缝剪切强度利用系数。
则焊缝的最大利用系数可表示为：
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（4）
根据DVS 1612:2009，焊缝疲劳强度利用系数应该满足：.png)
。
4仿真结果及分析
4.1静强度计算结果
依照EN12663-1:2010规定，选取适用于蓄电池箱结构的安全系数，计算可得本文所用材料的许用强度：安全系数1.15情况下，铝材屈服强度许用值为108 MPa，不锈钢屈服强度许用值为178 MPa。
对表2中规定的6种工况进行计算，得到所有工况下蓄电池箱的应力云图和材料利用率分布云图。表4汇总了所有工况的最大Mises应力情况，可以看到数值均小于178 MPa，最大材料利用系数不大于1，符合标准要求。
表4静强度载荷工况母材强度结果
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通过对应力云图分析，可以得到箱体结构应力较大的区域主要分布在支架连接处、框架与吊耳连接处、焊点以及振动响应较大的部位。S01静态工况下蓄电池箱出现最大应力142.69 MPa，发生在箱体框架与铝板焊接处，可见图3、图4.
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图3 S01工况下蓄电池箱应力云图
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图4 S01工况下蓄电池箱材料利用率分布云图
4.2疲劳强度计算结果
根据焊缝疲劳强度评估准则对蓄电池箱结构中焊缝的疲劳强度进行评估。按照DVS 1612:2009的，评估内容包括垂直于焊缝的强度利用系数、平行于焊缝的强度利用系数、焊缝剪切强度利用系数以及合成疲劳强度利用系数。
所有疲劳工况下焊缝疲劳强度的最大利用系数 为0.91，小于评估标准要求的1.0，能够满足焊缝疲劳强度的要求。蓄电池箱焊缝疲劳强度利用系数云图和最大值见图5、图6。
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图5 蓄电池箱焊缝疲劳强度利用系数云图
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图6 蓄电池箱焊缝疲劳强度利用系数最大值
5总结
本文通过建立蓄电池箱的有限元模型，按照相关标准对结构静强度和疲劳强度进行了有限元分析，验证了该结构满足强度要求，计算结果表明：
（1）蓄电池箱体结构应力较大的区域主要分布在支架连接处、框架与吊耳连接处、焊点以及振动响应较大的部位。
（2）蓄电池箱在静态载荷工况下的最大材料利用系数均不大于1.0，满足强度要求。
（3）蓄电池箱所评估的焊缝疲劳强度最大利用系数为0.91，能够满足DVS 1612:2009标准的要求。
参考文献：
[1]程亚军,高阳, 刘洪涛. 地铁车辆底架局部强度仿真分析与疲劳试验[C]//中国铁道学会车辆委员会动车、客车学术交流会.2012.
[2]陈姝枚.地铁车辆制动模块疲劳强度研究[D].2017.
[3]祝丁号.地铁空调机组箱体结构设计有限元分析及应用[D].2018.
[4]韩颖,孙文静,尤泰文.地铁车辆车顶吊挂元件动态试验工装设计[J].计算机辅助工程,2019, 28(01):28-33+51.
[5]张书娜.焊缝缺陷对不锈钢地铁车辆强度影响的研究[D].2014.
论文作者:陈凯,葛明娟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/1/18
标签：强度论文; 疲劳论文; 工况论文; 蓄电池论文; 结构论文; 系数论文; 应力论文; 《基层建设》2019年第28期论文;