动车组行李架的受力及试验研究

(整期优先)网络出版时间:2020-08-17
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动车组行李架的受力及试验研究

李桂琴 李冰 王茂润 张瑞 胡墨臣

中车长春轨道客车股份有限公司检修运维事业部工程技术部 吉林长春 130062

摘要:动车组行李架是在动车内部起着重要作用的一种结构,利用Creo3.0软件对行李架整体结构模型进行三维设计。通过ANSYSWorkbench17.0对行李架模型的结构静力学分析,得到行李架的总变形云图。对行李架进行实际的静加载试验,验证行李架静力学分析的可靠性。利用电动振动试验系统对行李架进行一系列的振动测试试验,验证行李架的试验可靠性及投入生产的可行性。

关键词:行李架;静力学分析;静加载试验;振动测试试验

引言

动车组行李架位于客室座椅上方,供旅客乘放行李、随身物品等,是动车内部设备的重要组成部分。近年来,随着工业水平的提高以及对美观性需求的增大,通常选择钢化玻璃板或聚碳酸酯板作为承载面板,其优点是表面通透方便旅客查看行李,且能增强动车组客室光亮度。

钢化玻璃面板刚度大,内部结构稳定,受力后变形量小,但玻璃的尖角冲击和自爆问题无法避免;聚碳酸酯面板密度小,质量轻,加工性与可塑性好,受力变形后易恢复,但硬度低,刚度小,受力状态下变形较大,使用时易出现划痕。因此,行李架设计时,面板材料和结构的选择与设计显得非常重要。

1行李架结构与材质

动车组行李架主要由托架、型材框架和承载面板3个部分构成,通过插接、压接、螺钉连接等方式组装固定。其中,承载面板主要有铝板、钢化玻璃板和聚碳酸酯隔板3种形式。

现以某型号动车组行李架(长度2040mm)为例介绍其结构组成。行李架由左右托架、前型材、承载面板、后型材、拉杆、支架、销轴等部件构成,现保持结构不变,只更改承载面板材质,通过行李架受力及变形情况探讨钢化玻璃板承载与聚碳酸酯板承载的差异性。

2行李架静加载试验分析

在Creo3.0软件中建立新设计的动车组行李架,在ANSYSWorkbench17.0中进行结构静力学分析,初步判定结构设计的合理性。通过实际的试验分析,验证理论分析的可靠性及设计的合理性。

网格划分的好坏对分析结构的可靠性起到了关键的作用。不同程度的网格划分会影响结构的分析精度,而在网格划分时,对于单元数量以及划分精度的控制也决定着网格划分后的网格质量。对该简化后的模型进行划分网格后的Nodes数为819479个,Elements为356799个,划分网格后的模型。

按照行李架结构自身的特点以及所选择的求解器,通过MeshMetric中的ElementQuality对行李架的网格质量进行评估。

将模型的螺栓孔固定,按照1000N/m的标准施加在行李架的受力面上,进行静力学分析,得到最大变形量为18.317mm,另2个观测点的变形量分别为7.078mm及6.9675mm。再在行李架的中间部位集中加载850N的作用力,可得到最大变形量为25.882mm,另2个观测点的变形分别为9.5063mm及9.4101mm。根据设计的要求,该变形量符合设计要求,同时满足了轻量化设计。

3存在的问题

3.1行李架端部结构

通常情况下,行李架覆盖整个客室,仅在客室两端部位置通过覆盖板过渡到客室圆头、间壁、门罩板等部件。从既有动车组现车行李架的组装效果来看,端部堵头与端部覆盖板、下盖板处,端部覆盖板与行李架后墙挡缝板处,端部覆盖板安装用外露扣盖处均存在缝隙处理不均、组装后相邻件平面度无法保证和覆盖板螺钉点分布不合理等问题。

根据行李架各部件的安装顺序,端部位置属于最后安装的部件,必须考虑公差预留、安装件的精度与组装工艺性等问题。

3.2行李架与车体安装结构

既有动车组行李架与车体的安装形式有2种:通过行李架安装座二次挂装、直接与车体连接。无论哪种形式均需要根据总体要求、内饰造型要求、车体环境等因素平衡后选择最佳的一种。因行李架主体安装形式不同,引起的相关部件接口方式也要匹配设计。

行李架之间拉杆位置的挡缝板存在与端部型材件断层的问题,且后墙板安装后内饰效果比较差。因受环境等因素的影响,行李架的安装较为困难,2个行李架之间的缝隙处理不良,易造成内饰效果不好。此外,后墙板安装后还存在磕碰行李的问题。

4最优结构强度、模态校核及与原设计结构的比较

优化模型中,材料常数惩罚系数为2.0,材料体积分数比fv=0.3,2个加载工况的权重系数都取1.0。在初始设计中,假定材料具有均匀的密度分布xe=0.3(e=1,2,…,n)。

4.1结构最优拓扑的提取

行李架支座拓扑优化计算结果,保留密度大于0.3的材料。根据最优拓扑进行特征提取,得到最优结构形式,结构各部分板壳厚度均为8mm。

4.2最优结构模态校核与比较

支座处固支约束边界条件下的原结构和最优结构的前4阶模态,可以看出,与原结构相比,最优结构模态频率有大幅度提高。

5行李架振动试验分析

运用DCS1200012012电动振动试验系统,对动车行李架分别进行模拟长寿命试验、冲击试验及功能性随机振动试验,对试验后的行李架进行分析,从而验证行李架的试验可靠性及投入生产的可行性。

振动试验:试验按GB/T21563—2008条款9中Ⅰ类A级条件进行。试验条件见表2所示。当质量犿<500kg,犳1=5Hz,犳2=150Hz。

冲击试验用来模拟产品使用过程中偶然情况。试验按IEC61373—2010中Ⅰ类A级进行。

将行李架安装在振动试验台上,分别进行垂向、横向及纵向的振动测试试验。

对动车行李架在振动试验台上分别进行了垂向、横向、纵向的振动试验分析,得到垂向模拟长寿命、冲击正试验、冲击负试验、功能性随机试验的图谱所示;横向模拟长寿命、冲击正试验、冲击负试验、功能性随机试验按照垂向试验进行相应试验;纵向模拟长寿命、冲击正试验、冲击负试验、功能性随机试验也按照垂向试验进行相应试验研究。

根据试验结果分析,行李架满足测试标准,试验数据真实可靠,对振动试验后的行李架进行外观检查,无结构性损伤。通过一系列振动试验的测试,可证明动车行李架的设计符合实际的标准,并可以投入生产使用。

结语

基于现有的行李架,对动车组行李架进行了重新的优化设计,进行了模型的建立。通过对行李架模型的结构静力学分析,又对行李架进行实际的静加载试验,验证了行李架符合设计的要求。对行李架一系列的振动测试试验,验证了该行李架符合投入生产使用的条件。该行李架的设计,优先通过软件进行轻量化设计及模型的模拟试验,再进行试验研究,能提高效率,节约成本。

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