牛小偉，李西安

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機車車輛學(xué)院，河南 鄭州，450052）

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某型地鐵配電箱強度有限元分析

牛小偉，李西安

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機車車輛學(xué)院，河南 鄭州，450052）

［摘要］利用有限元分析軟件HyperMesh建立配電箱的有限元模型，并使用Ansys進行分析計算，獲得五種靜強度工況和三種疲勞強度工況下的等效應(yīng)力分布情況；并依據(jù)強度評判標準，判斷該型設(shè)計的合理性，以便對配電箱結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化。

［關(guān)鍵詞］有限元分析，強度，應(yīng)力，Ansys

1引言

靜強度和疲勞強度是影響設(shè)備失效和使用壽命的兩個重要因素，地鐵在運行過程中由于線路不平順、設(shè)備運轉(zhuǎn)以及各部件的相互作用，都會使設(shè)備受到?jīng)_擊和振動，從而引起靜強度和疲勞強度發(fā)生變化。所以，了解設(shè)備在地鐵運行過程中的靜強度和疲勞強度情況，對保證設(shè)備的運行安全和使用壽命至關(guān)重要［1］。以往大部分設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計都采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計，為了達到設(shè)計的合理化，需要使用試樣進行大量的試驗。這不僅拖延了設(shè)計周期，增加了設(shè)計費用，而且試驗過程短，難以觀察到變化過程。邊界條件不容易控制，使得試驗重復(fù)性低，難以測量產(chǎn)品設(shè)備內(nèi)部變化情況等［2］。而采用有限元仿真就可彌補傳統(tǒng)設(shè)計的上述不足，在試樣出來之前就對其性能有預(yù)先的了解，提高了設(shè)計效率，也為進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。

2仿真模型建立

配電系統(tǒng)是地鐵供電網(wǎng)絡(luò)的中樞系統(tǒng)，與配電系統(tǒng)相關(guān)的各種電氣設(shè)備均需要安裝在配電箱中，配電箱為保障配電系統(tǒng)的平穩(wěn)運行起到了重要的保障作用。

該型配電箱箱體由厚度為3mm的角鋼和2mm的冷軋板材焊接而成，材料均為06Cr19Ni10不銹鋼，這是一種應(yīng)用廣泛的鉻-鎳不銹鋼，它具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、低溫強度以及良好的機械加工性能和焊接性。這種材料的彈性模量為2.1e5，泊松比為0.29，材料密度為7930Kg/m3，屈服強度為205MPa。配電箱通過箱體上部四角處的四個吊耳固定于列車車體上，配電箱的總質(zhì)量為27Kg。配電箱結(jié)構(gòu)及安裝方式如圖1所示，材料的性能參數(shù)如表1所示。

圖1　配電箱結(jié)構(gòu)及安裝方式

表1　配電箱材料性能參數(shù)

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，采用先出設(shè)計然后再分析最后進行試驗驗證，可能需要反復(fù)多次對設(shè)計進行修改然后再分析再試驗，花費大量的人力物力。隨著市場競爭越來越激烈，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法已不能滿足需要，各種新方法和新手段層出不窮。尤其是有限元法隨著計算機技術(shù)的發(fā)展取得了長足進步，正在逐步替代傳統(tǒng)方法，成為設(shè)計中的主流方法。

目前常見的有限元軟件各有特色，并且通用性越來越強，可以利用各自不同的優(yōu)點將其結(jié)合起來使用。例如HyperMesh的建模功能非常強大，但分析計算能力稍弱，而Ansys的分析計算能力很強，但建模能力又有所欠缺，因此可以將二者結(jié)合起來，采用HyperMesh軟件進行建模［3］，然后導(dǎo)入Ansys軟件中進行計算。

有限元模型的單元數(shù)量和單元類型直接決定了分析計算的精度和計算所用的時間，由于配電箱主要是由薄壁板材和角鋼焊接而成，因此適宜采用shell63殼單元來模擬［4］。對于箱體內(nèi)的其他設(shè)備，由于他們是非承載體不承受載荷，因此適宜采用mass21質(zhì)量單元來模擬。并以剛性單元來模擬配電箱四個吊耳的安裝情況。這樣建立的模型可以兼顧計算精度和計算時間，如圖2所示為配電箱有限元模型，該模型的節(jié)點總數(shù)為37899；單元總數(shù)為39253。

圖2　配電箱的有限元模型

3仿真條件及評定標準

靜強度主要研究結(jié)構(gòu)在常溫條件下承受載荷的能力，抵抗變形的能力（剛度）和在載荷作用下的響應(yīng)（應(yīng)力分布、變形形狀、屈曲模態(tài)等）特性。疲勞強度是結(jié)構(gòu)在無限多次交變載荷作用下會產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力。在交變應(yīng)力的作用下，即使結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力小于材料的屈服強度，但經(jīng)過應(yīng)力的反復(fù)作用后結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生裂紋或突然斷裂，這種現(xiàn)象被稱為疲勞破壞。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在結(jié)構(gòu)的失效中有超過80%是屬于疲勞破壞的，遠高于由于靜強度不足而產(chǎn)生的失效。并且這種破壞在之前沒有明顯的跡象，往往造成重大事故。

由于地鐵在實際運行中，車輪和鋼軌以及設(shè)備的運轉(zhuǎn)存在交變載荷，因此除靜強度外，還必須考慮配電箱的疲勞強度。根據(jù)地鐵的實際運行情況，確定了配電箱靜強度分析的五種載荷工況和疲勞強度分析的三種載荷工況，如表2所示：

表2 配電箱載荷工況

在各靜強度載荷工況作用下，配電箱的應(yīng)力不得超出材料的屈服強度；在各疲勞強度載荷工況作用下，配電箱母材和其它焊接接頭的許用應(yīng)力幅不得大于等級C［5］，各等級的許用應(yīng)力幅見表3（循環(huán)次數(shù)N=107）。

表3　各等級許用應(yīng)力幅（N=107）

4仿真結(jié)果分析

通過調(diào)用Ansys軟件進行求解，可獲得配電箱在各載荷工況作用下應(yīng)力大小及分布情況，如圖3所示為靜強度工況1-5作用下，配電箱的應(yīng)力云圖［6］。

圖3　靜強度工況1-5作用下配電箱的應(yīng)力云圖

圖4所示為疲勞強度工況1-3作用下，配電箱的應(yīng)力云圖。

圖4　疲勞強度工況1-3作用下配電箱的應(yīng)力云圖

在各靜強度和疲勞強度載荷工況作用下，配電箱的計算結(jié)果歸納見表4。從表4可以得出：配電箱的靜強度和疲勞強度均滿足設(shè)計要求。

表4　配電箱強度計算結(jié)果

5結(jié)語

在設(shè)備的設(shè)計階段，采用有限元技術(shù)對其進行分析，可為工程師提供非常有用的信息。本文使用HyperMesh建立配電箱的有限元模型，采用Ansys進行計算求解，分析了配電箱的靜強度和疲勞強度，分析結(jié)果表明在各種靜強度工況和疲勞強度工況下，配電箱箱體各處的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，因此該型配電箱的結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求，有限元分析的結(jié)果為產(chǎn)品的設(shè)計定型提供了可靠的依據(jù)，也為產(chǎn)品的進一步優(yōu)化提供了有價值的參考。

［參考文獻］

［1］張志華.動車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)強度分析［D］.北京：北京交通大學(xué)，2005.

［2］趙宏彥.城市客車車身結(jié)構(gòu)有限元分析［D］.江蘇：江蘇大學(xué)，2005.

［3］滕萬秀.高速動車組車體結(jié)構(gòu)強度及動態(tài)特性研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2009.

［4］何志剛.大客車車身結(jié)構(gòu)強度及剛度分析［J］.機械研究與應(yīng)用，2001，14（4）：4-6.

［5］郭富強，吳丹，商躍進等.T·JK4加強型車輛減速器制動鉗疲勞強度分析［J］.機車電傳動，2011，（2）：28-30.

［6］陳慶強，朱勝昌.大型集裝箱船整船有限元分析計算技術(shù)研究［J］.船舶力學(xué)，2006，10（1）：80-91.

［中圖分類號］U231.8

［文獻標識碼］A

［文章編號］1671-5004（2016）03-0013-03

［收稿日期］2016-4-7

［作者簡介］牛小偉（1988-），男，山西長治人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機車車輛學(xué)院助教、碩士，研究方向：軌道車輛有限元仿真。李西安（1989-），男，河南鄲城人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機車車輛學(xué)院助教、碩士，研究方向：軌道車輛可靠性分析。

Finite Element Analysis about Strength of the Distribution Box for Subway

NIU Xiao-wei，LI Xi-an
（Zhengzhou Railway Vocational&Technical College，Zhengzhou450052，Henan）

［Abstract］The finite element model of the distribution box was established by HyperMesh and the model was calculated by Ansys.The equivalent stress distribution of the distribution box under the action of five kinds of static strength working conditions and three kinds of fatigue strength working conditions can be obtained.To make a judgment about the rationality of the design is based on the strength standard so as to improve the design based on the analyzing result.

［Key words］finite element analysis，strength，stress，Ansys