摘要：针对动车组行李架承重量低、一体式机构不便于拆卸检修、本体重量大等问题，采用模块化设计及轻量化设计方法对行李架进行优化设计，经有限元分析，优化后的行李架满足强度设计要求，且具有重量低、方便拆卸检修的优点。
关键词：动车组行李架；模块化；轻量化
0.简介
动车组行李架作为动车组内装系统的重要组成部分，对提升旅客出行舒适度提供巨大帮助。动车组行李架主要分为三个部分：端部托架、型材框架和隔板。动车组行李架普遍存在承重量低、一体式机构拆卸检修不便、本体重量大等问题。针对以上问题，本文采用模块化设计及轻量化设计的方法进行处理。
图1 行李架结构图
1.模块化设计
行李架模块化可以在一定程度上简化总装配过程。各模块可进行预组装，组成一体后，在总装配时，只需将上部挂在车顶支撑型材上，侧面固定在侧墙上即可，从而大大缩短了总装配时间。
行李架模块化易于更换受损模块。当发生事故，部件受损，只需将其拆下，更换另一新的模块即完成维修，从而缩短了维护时间。结构模块化易于保证车辆的尺寸和形位公差。在车辆总装配时，各模块之间通过螺栓连接，不进行任何的焊接作业，因而没有焊接变形。
模块化设计[1][2]的原则是力求以少数模块组成尽可能多的产品，并在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉、规范，模块间的联系尽可能简单。因此，如何科学地、有节制地划分模块，是模块化设计中很具有创造性的一项工作。
1.1模块化划分
行李架模块划分的好坏直接影响到模块系列设计的成功与否，总的说来，划分前需要对系统进行仔细的功能分析和结构分析，并要注意以下各点：
（1）模块在整个系统中的作用及其更换的可能性和必要性。
（2）保持模块在功能及结构方面有一定的独立性和完整性。
（3）模块间的接合要素要便于连接与分离。
（4）模块的划分不能影响系统的主要功能。
本着上述划分原则，考虑到弧形板需要经常打开检修侧灯带，把弧形板设计成一个模块；根据空调格栅的特殊功能要求，把格栅单独设成一个模块；为便于总装配安装拆卸，把行李托板设计成一个模块；其他部位由于不需经常拆卸设计成一个行李架支撑模块。
1.2弧形板模块设计
由于弧形板起到承上启下的作用，下部为侧墙，后面是隐光源灯带，上部与 行李架支撑连接，其最主要的功能是需要经常打开，更换灯管及检修电路，因此，此件的连接上部采用快装铰链，下部安装弹簧卡柱，安装时只需把铰链挂到行李架支撑上的铰链座上，下部轻轻一推，卡在支撑上的卡簧上即可，安装方便，使用灵活。
图2 弧形板模块
1.3行李托板模块设计
行李架托板采用镂空设计，旅客坐在座位上在下面即可看到行李；行李架托板前端采用铝型材压条，突起部分可防止行李掉下；行李架托板前端的缓冲条可以承受行李的碰撞和刮擦，每个托板通过螺栓与行李架支撑连接固定，安装、拆卸方便。
图3 行李托板模块
1.4空调格栅模块设计
为避免空调出风直接吹到人体，同时在有限的空间增大送风面积，空调格栅采用1 mm厚铝板压型结构，表面冲有长圆孔，经喷塑处理外形美观。安装时下部插接在支撑的缝隙里，上部由托板压住，安装方便。
图4 空调格栅模块
1.5行李架支撑模块设计
行李架支撑模块由后墙板、底板、连接铝材及各种附件组成，在底板上设有可调整角度的阅读灯；行李架支撑上安装有带长圆孔的角铝，通过螺栓与侧墙铝结构上的防寒支架连接，安装简单，支撑上预先安装由铰链支座及弹簧卡用于固定弧形板，定位容易；每个模块之间互不相连，两端采用硅橡胶条对接，美观的同时起到吸音降噪的功能。
图5 行李架支撑模块
2.轻量化设计
轻量化行李架研究主要从材料入手，各模块可以根据实际情况选择不同的材料。比如，为保证具有更好的抗冲击的性能，后墙板采用“三明治”复合板表面粘接防火板，而其他部分则可根据本模块实际情况选用“三明治”复合板。
首先确定对比方案，进行重量对比，然后通过仿真计算、地面试验等手段，确保行李架在实现轻量化的同时，保证其功能、性能满足设计要求，保证高速列车安全可靠运营。
2.1行李架有限元建模
有限元建模[3]是有限元分析过程中的第一个重要步骤，本文采用 ansys Workbench 15.0版本，对动车组行李架进行有限元分析。该动车组行李架是一个典型的边梁式结构。基于相关建模原则和网格划分方法，依次实现了：
1.行李架几何模型的建立：考虑到结构的复杂性，为了提高建模效率，本文选用建模功能强大的 Solid Works 软件建立几何模型；
2.单元类型的选择：行李架纵、横梁建立为面模型，吊耳结构建立为实体模型，悬架系统采用弹簧单元来模拟，Workbench 自动识别后，分别采用 SHELL181，SOLID186 和 COMBIN14 三种单元进行模拟；
3.连接关系的模拟：在Workbench 中，纵梁和横梁以及纵梁和吊耳均采用Bonded接触关系，而悬架系统采用弹簧单元模拟板簧；
4 有限元网格的划分：依据网格划分标准，并结合计算精度和成本，对行李架进行了合理的网格划分。通过这一系列过程，建立了行李架的有限元模型。
图6 1000N/m应力加载下位移分布
2.2 对比分析
本文所研究的行李架模型，在设计初期，纵、横梁的板厚均取为 6.5mm，模型总重量为468．62kg。基于此，本文将采用满载弯曲的计算工况，需要寻求最合适的优化方法，在满足相关性能的前提下，使行李架重量最轻。
设计变量选为行李架的板厚，即2根纵梁和16根横梁的板厚，总共18个变量，板厚的变化范围确定在3～10mm；选择行李架的最大应力和最大变形作为状态变量。结合满载弯曲的静力计算结果，考虑经验值1.5的安全系数，最大应力的上限设为230MPa，最大变形的上限设为 5mm；选用Workbench中的响应曲面优化法，其中实验设计类型选择CCD，响应曲面类型选择Kriging。
表1 行李架前型材变形量
在满足行李架刚度和强度要求的前提下，行李架的PC材料得到了合理的分布。优化后，行李架的重量为390kg，相对于优化前的重量（468．62kg）减轻了16．8%，优化效果明显。本次优化的整个过程，可以为行李架的优化设计提供一种思路和方法，为深入进行行李架的轻量化奠定了基础。
3.结论
本文对行李架的优化设计主要从两个方面来入手，结构方面，采用了模块化的设计方案，将行李架划分为数个模块，大大简化了原本复杂装配过程，使得行李架结构检修与受损模块替换变得更加简单；另外在行李架的材料方面，利用有限元分析法建模并研究了行李架各节点的强度，合理为不同结构选组不同的材料，在保证质量过关的基础上大大降低了行李架的总重量。
参考文献：
[1]荚利宏.市域车行李架的开发研制[J].科技展望，2014（24）：58.
[2]刘雪梅，方少安.高速动车组内装结构介绍及材料应用[J].铁道车辆，2014，52（04）：17-19+5.
[3]李永恒.动车组轻量化内装设计探讨[J].中国铁路，2014（03）：41-44.
论文作者:朱耿明,李世玉
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/18
标签：行李架论文; 模块论文; 车组论文; 结构论文; 弧形论文; 建模论文; 有限元论文; 《基层建设》2019年第6期论文;