陶 洋，錢豐學(xué)，劉志勇，趙 寬，張 兆

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高速空氣動力研究所，四川 綿陽 621000)

動車組車載接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測裝置(以下簡稱“監(jiān)測裝置”)是安裝在動車頂部暴露于空氣中的對受電弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行光學(xué)和紅外監(jiān)測的裝置。因?yàn)楸O(jiān)測裝置內(nèi)部需要較大的空間，所以一般被設(shè)計(jì)成薄殼結(jié)構(gòu)[1]。在列車高速運(yùn)行時(shí)(速度可高達(dá)350～400 km/h)，該裝置受到的氣動載荷(氣動力、力矩)比較大，需要考核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[2]。本文將首先對監(jiān)測裝置的外形開展氣動載荷計(jì)算，將所得的氣動載荷作用于裝置的外層殼體，通過結(jié)構(gòu)分析來檢驗(yàn)監(jiān)測裝置在氣動載荷作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足工程使用要求。

1 監(jiān)測裝置及計(jì)算工況

監(jiān)測裝置為C形倒扣+左右凸起兩耳的外形，前部有玻璃觀察窗和照明孔，玻璃觀察窗內(nèi)安裝有光學(xué)和紅外監(jiān)測儀器。照明孔主要提供車輛夜間行駛和隧道內(nèi)行駛時(shí)對受電弓的照明。裝置后部有進(jìn)線孔，背部及兩耳處有小凹槽以利于裝置的散熱。圖1為監(jiān)測裝置外形示意圖。

圖1 監(jiān)測裝置外形示意圖

動車的行駛速度范圍通常為200～400 km/h，行駛速度越大，監(jiān)測裝置所受的氣動載荷也就越大。因此本文考慮列車以最高速度行駛時(shí)監(jiān)測裝置所受氣動載荷的情況，即車速為400 km/h的工況，不考慮自然風(fēng)、列車交會及隧道等特殊情況。以觀察窗迎著氣流方向?yàn)榱熊囆旭傉较?，分別考察列車正向、逆向行駛時(shí)監(jiān)測裝置的氣動特性，主要計(jì)算監(jiān)測裝置外層殼體所受的六分量氣動力、力矩及其表面壓力分布情況。

2 氣動載荷數(shù)值計(jì)算方法

設(shè)定環(huán)境溫度為27 ℃，列車以時(shí)速400 km運(yùn)行，此時(shí)相對列車的來流馬赫數(shù)約為0.32，需要考慮空氣的壓縮性，因此采用可壓縮的完全氣體模型[3]。以氣流方向的長度為雷諾數(shù)參考長度Lref=0.5 m，則Re=3.54×106，屬于湍流流動。

由于監(jiān)測裝置的外形不規(guī)則，因此采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來劃分流場區(qū)域，同時(shí)對監(jiān)測裝置外形做了一定的簡化，主要對監(jiān)測裝置背部及兩耳處的小凹槽、所有的螺釘孔、背部凹坑做了填充。計(jì)算模型網(wǎng)格劃分情況見圖2。為了節(jié)約計(jì)算資源采用半模型計(jì)算，在對稱面采用對稱邊界條件，與列車的連接面采用無滑移固壁條件，遠(yuǎn)場邊界取為100倍參考長度以上。

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

2.1 控制方程

控制方程選擇可壓縮的雷諾平均方程(Navier-Stokes，簡稱“N-S方程”)，并采用SST湍流模型 ( shear stress transport )。三維的守恒型RANS方程在計(jì)算坐標(biāo)系下可寫為如下形式(式中各項(xiàng)參數(shù)的具體意義請參考計(jì)算流體力學(xué)書籍)：

(1)

SST湍流模型是一種在工程問題中具有較好精度和適用性的兩方程湍流模型，適于模擬中等復(fù)雜的外流及壓力梯度下的邊界層流動。其封閉N-S方程采用的是湍動能黏性輸運(yùn)方程。SST湍流模型的具體形式可以見參考文獻(xiàn)[3]。

2.2 空間離散

方程1采用有限體積法離散，有限體積法是目前工程實(shí)用CFD軟件普遍采用的方法，它能夠很好地保證質(zhì)量、動量和能量守恒。方程對流項(xiàng)離散采用Roe格式，對黏性項(xiàng)離散采用中心型格式，以保證離散方程在空間上的二階精度[4-6]。

2.3 時(shí)間離散

考慮到模型的外形比較復(fù)雜，其背風(fēng)面會有較大范圍的分離流動，流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動表現(xiàn)出明顯的非定常性。本文采用非定常計(jì)算，時(shí)間離散采用雙時(shí)間步的隱式格式，時(shí)間步長為0.000 1 s，迭代計(jì)算1 000個(gè)時(shí)間步，獲得流場參數(shù)的時(shí)間遠(yuǎn)大于特征時(shí)間(Lref/V=0.004 5 s)，滿足計(jì)算精度的要求。

3 氣動載荷計(jì)算結(jié)果與分析

圖3給出了列車正向、逆向行駛2種工況下計(jì)算模型的表面壓力云圖。圖4及圖5給出了相應(yīng)工況下計(jì)算模型表面及近物面的流線圖。

圖4 正向行駛時(shí)模型表面及近物面流線圖

圖5 逆向行駛時(shí)模型表面及近物面流線圖

由圖3可以看出，監(jiān)測裝置迎風(fēng)側(cè)有一片高壓區(qū)域，這是由于氣流遇到裝置的阻礙，速度減小，壓力升高，同時(shí)在流線圖中可以看出在迎風(fēng)側(cè)的前下方有一個(gè)小回流區(qū)。在裝置的肩部有一條低壓帶，這是迎風(fēng)側(cè)減速的高壓氣流繞過肩部時(shí)急劇加速形成的。由于繞過裝置肩部的氣流加速過快，壓力較低，與背風(fēng)側(cè)的較高壓力形成了逆壓梯度，裝置表面氣流會在背風(fēng)側(cè)的某個(gè)位置發(fā)生分離，在背風(fēng)側(cè)形成一個(gè)較大的回流區(qū)。由于氣流的分離，背風(fēng)側(cè)的氣流壓力沒有得到充分恢復(fù)，裝置的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生了壓力差，這是裝置阻力的主要來源。

圖3 模型表面壓力云圖

由圖3可以看出，列車正向行駛時(shí)，裝置迎風(fēng)側(cè)高壓區(qū)的面積較大，主要分布在2個(gè)觀察窗及兩耳迎風(fēng)側(cè)的下半部分。計(jì)算結(jié)果表明，兩耳部分提供的阻力約占總阻力的1/3。不考慮其他設(shè)計(jì)要求的話，可適當(dāng)減小兩耳部分的迎風(fēng)面積，如增大兩耳的傾斜度，可明顯減小正向行駛時(shí)的阻力。由圖4可以看出，列車正向行駛時(shí)，裝置背風(fēng)側(cè)有3個(gè)大的漩渦，分別在耳部背風(fēng)側(cè)、進(jìn)線口上部背風(fēng)區(qū)和進(jìn)線口后。3個(gè)漩渦構(gòu)成了一片較大面積的回流區(qū)。因此，正向行駛時(shí)的阻力較大。由圖5可以看出，列車逆向行駛時(shí)，模型表面壓力分布與正向行駛時(shí)基本類似，兩耳部的高壓區(qū)面積較正向行駛工況有明顯減小，分離點(diǎn)相對位置靠后，背風(fēng)側(cè)的回流區(qū)也較小，因此總體阻力較正向行駛時(shí)明顯減小，約為正向行駛時(shí)的1/2。

值得注意的是，耳部在列車正向行駛時(shí)受到了較大的負(fù)升力。這是因?yàn)槎可戏桨l(fā)生了氣流分離，壓力較高，而耳部下方氣流繞流，壓力較低，上下壓差在單個(gè)耳部分別產(chǎn)生了大約150 N的向下合力，并產(chǎn)生了較大的滾轉(zhuǎn)力矩。在強(qiáng)度校核時(shí)需要特別注意耳部的連接強(qiáng)度。列車正向行駛及逆向行駛時(shí)，監(jiān)測裝置各部件及整體所受的六分量氣動力及力矩的詳細(xì)情況如表1所示。

表1 監(jiān)測裝置各部件及整體所受的六分量氣動力及力矩

4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)，該監(jiān)測裝置在列車行駛工況下必須滿足以下要求：

(1) 靜強(qiáng)度方面。按Von Mises應(yīng)力考核，裝置殼體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力、緊固件的工作應(yīng)力不大于材料屈服應(yīng)力的1/3，即安全系數(shù)≥3。

(2) 剛度方面。結(jié)構(gòu)最大允許變形量≤1 mm(由設(shè)計(jì)方提出)。

4.1 強(qiáng)度計(jì)算

強(qiáng)度計(jì)算采用ANSYS Workbench平臺中的Fluid Flow(Fluent)和Static Structural模塊，進(jìn)行單向流固耦合計(jì)算，氣動載荷通過流固耦合面(即裝置除去底座下表面的所有外表面)進(jìn)行網(wǎng)格點(diǎn)插值傳遞。由于觀察窗玻璃的屈服強(qiáng)度和彈性模量一般比鋁合金要高，將觀察窗材料設(shè)定為鋁合金材料，這樣做在工程上是偏保守的。將裝置底面設(shè)定為固支條件(Fixed)，外層殼體各部件之間采用綁定接觸(Bonded)。監(jiān)測裝置的整體變形量、應(yīng)力云圖分別見圖6和圖7。由圖6可知，監(jiān)測裝置的最大變形量約為0.006 mm，遠(yuǎn)小于1 mm；最大應(yīng)力為2.40 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力(280 MPa)，滿足設(shè)計(jì)要求。其中整體變形量采用下式計(jì)算：

圖6 模型整體變形情況

圖7 模型應(yīng)力云圖

(2)

式中：Ux，Uy，Uz——分別為x，y，z方向上的變形量。

4.2 連接強(qiáng)度計(jì)算

監(jiān)測裝置采用6個(gè)M10螺釘與動車車頂基座連接，以克服監(jiān)測裝置所受的氣動力和氣動力矩。氣動載荷主要由Fx、Fz及My組成。其中，F(xiàn)x對螺釘產(chǎn)生剪應(yīng)力Fτ，F(xiàn)z產(chǎn)生拉應(yīng)力Fσ1，My產(chǎn)生拉應(yīng)力Fσ2。螺釘連接示意圖如圖8所示，Z坐標(biāo)垂直紙面向外，當(dāng)My為正時(shí)，4號螺釘所受載荷最大；當(dāng)My為負(fù)時(shí)，3號螺釘所受載荷最大。以4號位置M10螺釘為例進(jìn)行連接強(qiáng)度校核。

(a) M5螺釘

4.2.1 列車逆向行駛狀態(tài)連接強(qiáng)度計(jì)算

列車逆向行駛狀態(tài)下，4號螺釘受力為：

Fτ=Fx/n=218/6≈36.33 N
Fσ1=Fz/n=364.8/6≈60.8 N
Fσ2=My/(L/2)=7/(0.232/2)≈15.1 N

(3)

M10螺釘(粗牙)的應(yīng)力截面積As=58 mm2，所受應(yīng)力為：

τ=Fτ/As=36.33/58≈0.63 MPa
σ1=Fσ1/As=60.8/58≈1.05 MPa
σ2=Fσ2/As=15.1/58≈0.26 MPa

(4)

按照第四強(qiáng)度理論：

(5)

材料許用應(yīng)力為320 MPa，其安全系數(shù)為：

(6)

4.2.2 列車正向行駛狀態(tài)連接強(qiáng)度計(jì)算

列車正向行駛狀態(tài)下，4號螺釘受力為：

Fτ=Fx/n=407/6≈67.83 N
Fσ1=Fz/n=169.6/6≈28.27 N
Fσ2=My/(L/2)=10.7/(0.232/2)≈23.06 N

(7)

所受應(yīng)力為：

τ=Fτ/As=67.83/58≈1.17 MPa
σ1=Fσ1/As=28.27/58≈0.49 MPa
σ2=Fσ2/As=23.06/58≈0.40 MPa

(8)

按照第四強(qiáng)度理論：

(9)

安全系數(shù)為：

(10)

經(jīng)計(jì)算，螺釘連接強(qiáng)度滿足要求。

5 結(jié)論

綜上所述，在車速為400 km/h時(shí)，不考慮列車外形及受電弓的影響，不考慮列車交會、隧道及自然風(fēng)等特殊情況，對監(jiān)測裝置外形做適當(dāng)處理后，經(jīng)計(jì)算可得出如下結(jié)論：

(1) 列車逆向行駛時(shí)，監(jiān)測裝置的阻力約為正向行駛時(shí)的1/2。列車正向行駛時(shí)，監(jiān)測裝置的耳部受到較大的負(fù)升力和滾轉(zhuǎn)力矩。經(jīng)計(jì)算，耳部與監(jiān)測裝置的連接強(qiáng)度滿足使用要求。

(2) 監(jiān)測裝置的外層殼體最大應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求，安全系數(shù)大于3，最大變形量遠(yuǎn)小于1 mm，監(jiān)測裝置與動車車頂基座的連接強(qiáng)度滿足使用要求。