基于Ansys高速列车车下吊装连接强度仿真分析研究马骁龙.pdf

基于Ansys 的高速列车车下吊装 连接强度仿真分析研究 马晓龙 高阳 （中国北车长春轨道客车股份有限公司 130062 长春） 摘 要 随着高速列车车速逐渐提高,行车安全越来越引起人们的关注,其中车下吊装结构及其连接螺栓强 度是否满足要求,直接关系到车辆行车安全。选取一个典型车下吊装，采用非线性有限元方法，建立详细的 接触有限元模型，参考标准EN12663 和UIC566 对高速列车车下吊装强度提出的载荷工况，针对吊装结构强 度和连接螺栓静强度和螺栓滑动等方面的分析方法进行了详细的研究和讨论。 关键词 高速列车 吊装 螺栓 接触 强度 1 引言 高速列车车下设备林立，主要牵引、制动等设备都集中在车下。此外，由于车辆平衡配 重的需要，不得不将设备在车下分散布置，导致车下设备较多。因此，标准EN12663 和UIC566 都对车下吊装结构及螺栓强度提出严格要求，以确保动车组在不同运行速度下车下设备的安 全性、可靠性。 以往对车辆吊装结构进行有限元分析，大部分都只关注吊装结构的本身，忽略了螺栓的 连接强度，以及螺栓的滑动分析，吊装结构螺栓都是按着标准选取的预紧力，但是在车辆运 行时，吊装螺栓受力在增加，但是螺栓和吊装结构之间的压力确在减小，如果压力减小达到 一定程度，螺栓必将开始滑动，这将直接影响行车安全，基于以上分析，选取高速列车车下 车载电源箱及紧急车钩合用吊装结构为分析对象，同时考虑吊装结构和螺栓强度、螺栓滑动 分析两个方面，对结构进行了接触模型建立，详细阐述了其分析理论和分析结果，提出了吊 装结构分析方法和手段，为吊装结构强度分析、螺栓强度分析、预紧力的选取、螺栓防松手 段的选取提供了重要的参考依据。 2 分析理论 1）非线性接触理论 接触问题是一种高度非线性行为，它的难点：①在求解问题之前，接触区域未知，表面 之间是接触或分开也是未知的，并且会突然变化，这随载荷、材料、边界条件和其它因素而 定；②大多的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型可以使用，然而它们都是非线性的， 使问题的收敛性变得困难。 利用ANSYS 执行一个典型面─面接触分析基本步骤如下：①建立有限元模型；②识别 并定义接触对；③定义、控制目标面的运动；④定义边界条件；⑤定义求解选项和载荷步； ⑥求解并查看结果； 2）螺栓接触滑动分析理论 利用摩擦原理可以分析螺栓接触面的滑动情况，螺栓在预紧力作用下紧固连接件，在外 载荷作用下，接触面上会产生摩擦力，在摩擦力不大于最大静摩擦力的情况下，结构是安全 的，本次分析计算流程如下：①提取接触面上的接触压应力；②提取接触面上的接触摩擦应 力；③计算接触面上的接触摩擦合力和最大静摩擦力；④计算当接触面上的接触摩擦合力与 最大静摩擦力的比值s，并根据比值大小判断接触面滑动情况，当s=1 时，接触摩擦合力等 于最大静摩擦力，结构达到滑动临界状态。 3 车下吊装连接强度仿真分析 车载电源箱和紧急车钩吊装组成如图3-1所示。吊装部件通过12个M20 螺栓、12 个M8 螺栓与车体底架边梁连接。 与车体连接处 M20 螺栓 与车体连接处 与车体连接处 与车体连接处 M20 螺栓 M8 螺栓 图3-1 车载电源箱和紧急车钩吊装组成图 结合标准EN12663 和UIC566，静强度分析按8 种组合工况考虑，见表3-1，其中，c 为 垂向动荷系数，在车辆端部时取2，呈线性下降到车辆中部时为0.5，这里，c 为1.1。 表3-1 工作条件下的静强度分析工况 工况 X （纵向） Y （横向） Z （垂向） 1 3×g 1×g (1 + c) ×g 2 3×g -1×g