王金田,蓋杰,余以正,孫健
(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心,吉林 長春 130062)
隨著高速列車運行速度不斷提高,由此產(chǎn)生的空氣動力學(xué)問題也備受關(guān)注,氣動載荷對列車車體和其附屬裝備的影響愈加突出.高速列車設(shè)備艙裙板作為降低空氣阻力、保護車下懸掛設(shè)備的關(guān)鍵裝置,其本身的結(jié)構(gòu)強度和抗沖擊變形性能對動車組的安全運營至關(guān)重要[1].針對高速列車設(shè)備艙裙板的自身結(jié)構(gòu)強度問題,國內(nèi)學(xué)者進行了大量工作.姜成等采用空氣炮沖擊試驗方法,分析了各因素對裙板沖擊變形性能的影響[2].方靜賽等對高速動車組轉(zhuǎn)向架裙板進行模態(tài)分析和氣動疲勞特性研究[3].范樂天等對某型號高速列車設(shè)備艙玻璃鋼裙板的氣動載荷進行分析,并對裙板、安裝座以及螺栓進行仿真分析評估[4].徐練等通過在武廣線對設(shè)備艙氣動載荷的實車測試得到裙板最大氣動載荷為1 644 Pa,最大氣動載荷 出 現(xiàn) 在 明 線 會 車 工 況[5], 但是范 樂 天 等 仍 采 用6 000 Pa載荷對設(shè)備艙裙板結(jié)構(gòu)進行強度評估[6].程建峰等采用仿真分析方法對某型號高速列車設(shè)備艙裙板在3 750 Pa氣動載荷作用下的靜強度進行分析評估[7].目前設(shè)備艙裙板方案設(shè)計中需采用的氣動壓力加載條件還沒有達成統(tǒng)一標準.
設(shè)備艙裙板作為高速列車的附屬裝備,列車出廠服役前必須要對其結(jié)構(gòu)強度進行試驗測試,其中包括靜壓力試驗和氣動疲勞試驗測試(本文將此兩項試驗統(tǒng)稱為氣動強度試驗).氣動疲勞試驗是動載荷試驗,交變載荷施加頻率和均布載荷施加方式是該試驗的難點.國內(nèi)通用的交變氣壓載荷裝置都是用風(fēng)機實現(xiàn)的,例如王前選等利用羅茨鼓風(fēng)機實現(xiàn)了對高速列車車體施加交變載荷[8].秦建忠等采用活塞式交變氣壓載荷裝置完成標準化動車組車窗(門)氣壓疲勞試驗[9].
高速列車設(shè)備艙裙板是“不封閉”的內(nèi)外連通設(shè)計,目前國內(nèi)還沒有利用風(fēng)機系統(tǒng)和活塞式交變氣壓裝置完成設(shè)備艙裙板的氣動強度試驗測試.依據(jù)高速列車設(shè)備艙裙板氣動性能技術(shù)條件和試驗周期要求,本文研究設(shè)備艙裙板氣動強度試驗方法并實施試驗測試,同時通過接觸非線性仿真計算對裙板氣動強度進行分析和試驗工裝改進.
某型高速列車設(shè)備艙裙板尺寸約為1.7 m×0.8 m,材料為6005A-T6鋁合金,型材厚度為2 mm左右.裙板上部通過安裝座連接到車體,裙板下部通過鎖銷與設(shè)備艙底板相連.裙板內(nèi)部有兩塊格柵(尺度約為0.6 m×0.4 m),格柵為內(nèi)外連通結(jié)構(gòu),有設(shè)備艙內(nèi)外通風(fēng)散熱作用.格柵安裝框通過螺栓固定在裙板型材上.圖1是設(shè)備艙裙板結(jié)構(gòu)示意圖,圖1(a)中虛線框為格柵安裝位置,外法向指向車外環(huán)境.按照時速350公里速度級的高速列車設(shè)備艙裙板技術(shù)條件,設(shè)備艙裙板氣動強度應(yīng)滿足以下要求:①設(shè)備艙裙板可承受±6 kPa靜壓力載荷(正壓方向為從車外環(huán)境指向設(shè)備艙內(nèi),負壓方向相反),裙板結(jié)構(gòu)無永久變形和損壞; ②設(shè) 備 艙 裙板可承受200萬次周期循環(huán)的±2.5 kPa氣動疲勞載荷,裙板無損壞.為滿足項目執(zhí)行周期要求,設(shè)備艙裙板的200萬次氣動疲勞試驗需在一個月周期內(nèi)完成,也就是試驗裝置交變載荷頻率應(yīng)不小于1 Hz.
(a)設(shè)備艙裙板外側(cè)
按照設(shè)備艙裙板氣動強度試驗的技術(shù)要求,該試驗的短周期要求是試驗方案設(shè)計的主要制約.施加氣動載荷的理想方法是采用氣壓加載,本試驗先對氣壓加載法進行考量.高速列車車體氣動疲勞試驗是采用風(fēng)機系統(tǒng)完成,例如采用羅茨鼓風(fēng)機作為壓力源,氣動蝶閥配合單向閥作為正負壓切換控制元件,實現(xiàn)交變氣動載荷[8].但受制于閥門的切換速度,該試驗裝置壓力交變頻率低,對于裙板這類“不封閉”結(jié)構(gòu)的200萬次交變載荷試驗,試驗周期過長而不能滿足項目要求.動車組車窗(門)氣動疲勞試驗采用活塞式交變氣壓載荷裝置[9],該試驗裝置利用液壓系統(tǒng)使作動器往復(fù)運動來壓縮、抽拉密封腔內(nèi)的空氣,進而對試驗件施加動態(tài)氣動載荷.該試驗裝置可以滿足車窗在1.5 Hz下±4.5 kPa與±6 kPa的試驗要求.活塞式交變氣壓載荷裝置對試驗件要求是封閉結(jié)構(gòu),在密封腔內(nèi)通過活塞運動形成正負表面壓力,因此該試驗裝置對于“不封閉”裙板的氣動強度試驗不適用.
對于設(shè)備艙裙板這類“不封閉”結(jié)構(gòu),氣動疲勞試驗采用氣壓加載法不能滿足項目要求,因此本文最終采用集中力施加方法.試驗采用微機控制電子萬能試驗機裝置,氣缸作動器通過分配工裝對設(shè)備艙裙板施力.該裝置的優(yōu)點是試驗操作安全方便,負載大,加載動作迅速,反應(yīng)快,加載頻率滿足項目要求.該裝置的缺點是不能與實際氣動壓力環(huán)境相同進行壓力均布加載,只能采用多個集中載荷代替均布載荷形成“等效載荷”.局部集中加載方式由于施壓面積小,從而對結(jié)構(gòu)強度的要求更高,因此該方法可以檢驗結(jié)構(gòu)強度,但是不能用于測量試件在實際氣動載荷工況中的變形值.
為形成盡量多的集中載荷“等效”模擬氣動壓力的均布載荷,本文試驗的分配工裝采用最大限度施壓面積,因此分配工裝的設(shè)計方案是制作與裙板與格柵試件隨型的一體化玻璃鋼工裝.玻璃鋼工裝的制作要求是最大限度覆蓋裙板和格柵表面,并且玻璃鋼工裝應(yīng)最大限度與裙板和格柵表面貼合.玻璃鋼工裝模具是通過設(shè)備艙裙板倒模制作.圖2為玻璃鋼工裝成品圖.與設(shè)備艙裙板外側(cè)貼合的玻璃鋼工裝重500 N,與設(shè)備艙裙板內(nèi)側(cè)貼合的玻璃鋼工裝重550 N.
圖2 玻璃鋼工裝示意圖
圖3是氣動疲勞試驗加載裝置圖.加載氣缸、試驗工裝和設(shè)備艙裙板都固定在鋼架上.氣缸加載位置對應(yīng)工裝中心,鋼架中心線、裙板中心線和工裝中心線都在同一平面上.裙板上邊安裝座連接孔和裙板下邊鎖銷連接處完全固定在鋼架上.采用上下兩組氣缸加載裝置連接玻璃鋼工裝,分別對裙板外側(cè)表面和內(nèi)側(cè)表面加載,通過調(diào)整上下加載時差進而對裙板試件施加交變載荷.靜壓力試驗裝置與氣動疲勞試驗裝置類似,只需采用單側(cè)工裝對裙板施加載荷,所以本文對靜壓力試驗裝置不做過多說明.氣缸加載裝置加力值F的計算公式為
F=P·S±M·g
(1)
式中:P為模擬的表面壓力,Pa;S為受壓表面積(玻璃鋼工裝與裙板試件的接觸面積),m2;M為玻璃鋼工裝質(zhì)量,kg.g為重力加速度(9.81 m/s2).如果氣缸加載方向與重力方向相同則式(1)取負號,反之式(1)取正號.
圖3 氣動疲勞試驗加載裝置圖
設(shè)備艙裙板的±6 kPa靜壓力試驗所使用的受壓面積和氣缸加載力可見表1.靜壓力試驗中使用三向應(yīng)變片測量3處位置的 應(yīng) 力 值, 圖4為-6 kPa靜壓力試驗使用的裙板外側(cè)3處測點的位置示意圖,測點1、2、3的應(yīng)變片中心位置距裙板底邊的距離分別是370、245和670 mm.+6 kPa靜壓力試驗采用應(yīng)力測試點在 裙 板 內(nèi) 側(cè) 對 應(yīng) 位置.表1也列出3處測點的vonMises應(yīng)力值測試結(jié)果,從表中可以看到測試值都小于材料屈服強度215 MPa,并且裙板結(jié)構(gòu)無永久變形和損壞.
表1 設(shè)備艙裙板±6 kPa靜壓力試驗參數(shù)和結(jié)果
設(shè)備艙裙板的±2.5 kPa氣動疲勞試驗上下氣缸加載力分別為1 160和1 847.5 N.該試驗裝備的交變載荷頻率為1 Hz,完成200萬次周期循環(huán)加載時長約為23天.試驗完成后采用滲透方法對裙板進行探傷,測試結(jié)果表明裙板無損傷.
綜上所述,設(shè)備艙裙板靜壓力試驗和氣動疲勞試驗結(jié)果都滿足其技術(shù)要求.
采用仿真分析方法對設(shè)備艙裙板的+6 kPa靜壓力試驗?zāi)P瓦M行仿真分析.采用Hypermesh軟件進行計算模型前處理,玻璃鋼工裝采用實體單元建模,重量為500 N,彈性模量為17 GPa,泊松比為0.18.裙板采用實體單元和殼單元建模.有限元模型共劃分網(wǎng)格數(shù)目約139萬,網(wǎng)格尺度約為10 mm.根據(jù)計算模型的接觸面積,采用式(1)計算得到玻璃鋼上共施加3 483 N的力,設(shè)備艙裙板約束方式與試驗一致(見圖5(a)).玻璃鋼工裝與裙板間設(shè)置點面接觸,裙板上設(shè)置的名義接觸點數(shù)是6 998個.通過Permas軟件進行接觸非線性分析,得到裙板受到的接觸壓力分布(見圖5(b)).受玻璃鋼作用裙板擠壓變形,但不是所有設(shè)置接觸的表面都會受到玻璃鋼工裝的施壓.圖5(b)是模擬+6 kPa靜壓力試驗得到的接觸壓力分布圖,有色區(qū)域是接觸壓力不小于6 kPa部分,可將此區(qū)域視為實際接觸面積(該范圍的接觸壓力值滿足施壓目標),相應(yīng)的實際接觸點數(shù)共計1 760個,實際接觸率是25%(實際接觸率是實際接觸面積與名義接觸面積之比). 從 圖 中 可以看到實際接觸范圍主要集中在裙板中間部分,其他實際接觸范圍在約束附近并且集中在寬度約為20 mm的條帶內(nèi).
(a)有限元模型示意圖
為縮短工裝制作和試驗周期、節(jié)約試驗工裝成本,通過對設(shè)備艙裙板+6 kPa靜壓力下的接觸壓力分布范圍研究,只保留產(chǎn)生實際接觸壓力的部分工裝,并對該工裝加載進行仿真計算,探查產(chǎn)生接觸壓力的效果.試驗工裝的改進方案是將一體式玻璃鋼工裝改為分離的3塊(見圖6(a)),3塊工裝總重量約為115 N,較一體式工裝減重77%.每塊工裝與裙板的名義接觸面積約為0.1 m2,利用式(1)計算得到氣缸加載力應(yīng)為1 685 N,較一體式工裝加載力減小52%.
(a)改進工裝示意圖
針對設(shè)備艙裙板+6 kPa靜壓力試驗,采用仿真分析方法模擬改進工裝加載方案,計算共設(shè)置名義接觸點數(shù)3 286個.圖6(b)是采用改進工裝加載的接觸壓力 分 布 圖, 其 中 接 觸 壓 力 不 小 于
6 kPa的實際接觸點數(shù)有1 605個,實際接觸率是49%,而采用一體式工裝得到的實際接觸率是25%,具體數(shù)值可見表2.值得補充的一點是,對應(yīng)改進工裝的名義接觸范圍,一體式工裝在該范圍內(nèi)的實際接觸點數(shù)1 604個, 改 進工裝的實際接觸點數(shù)1 605個,說明若基于與改進工裝相同的名義接觸范圍,采用改進工裝的實際接觸率與一體式工裝實際接觸率基本相同.
表2 模擬+6 kPa靜壓力試驗的接觸點數(shù)結(jié)果統(tǒng)計
針對+6 kPa靜壓力試驗采用改進工裝能得到更高的實際接觸率.對于-6 kPa靜壓力試驗也可以通過實際接觸面積范圍來進行工裝改進.采用改進工裝的氣動疲勞試驗,通過減小氣缸加載力來加快交變頻率,有利于縮短試驗周期,適用于緊急試驗測試.如果不考慮試驗周期問題,建議采用風(fēng)機加壓系統(tǒng)進行設(shè)備艙裙板的氣動強度評估.
為同時驗證裙板和格柵結(jié)構(gòu)的氣動強度,玻璃鋼工裝采用的是裙板和格柵全部隨型一體式設(shè)計,試驗裝置同圖3,只是試件為帶格柵的設(shè)備艙裙板.在6 kPa靜壓力載荷試驗中,裙板結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生永久變形,但是格柵安裝框的外邊角發(fā)生肉眼幾乎觀察不到的永久變形,此處變形是試驗后在工裝同試件匹配過程中,因工裝與裙板無法貼合時被發(fā)現(xiàn)的.
針對帶格柵的設(shè)備艙裙板結(jié)構(gòu),本文對實際環(huán)境±6 kPa壓力均布加載情形進行仿真分析.同樣采用Hypermesh和Permas軟件分別進行前后處理和求解,具體模擬方法可見3.2節(jié).通過仿真計算得到裙板和格柵的vonMises應(yīng)力都遠小于屈服強度,安全系數(shù)最小值為10.38,見表3.結(jié)構(gòu)強度滿足技術(shù)要求.圖7是帶格柵的設(shè)備艙裙板在+6 kPa壓力載荷下vonMises應(yīng)力分布圖.由此分析格柵安裝框發(fā)生變形的最可能原因是玻璃鋼
表3 帶格柵的設(shè)備艙裙板在±6 kPa氣動壓力載荷下的計算結(jié)果
(a)設(shè)備艙裙板外側(cè)
工裝某處和格柵貼合的公差問題,導(dǎo)致格柵結(jié)構(gòu)受力過大.一體式工裝可用于設(shè)備艙裙板氣動強度試驗,但是對于帶格柵的設(shè)備艙裙板,由于格柵結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜(面彎曲和多尖角),一體隨型玻璃鋼作為試驗工裝其制作工藝還有待提升.
(1)對于設(shè)備艙裙板采用一體隨型玻璃鋼工裝進行加載,靜壓力試驗和氣動疲勞試驗結(jié)果滿足技術(shù)要求,并且±2.5 kPa氣動疲勞試驗交變頻率為1 Hz,滿足項目周期要求;
(2)采用一體隨型玻璃鋼工裝對設(shè)備艙裙板進行加載,通過接觸非線性仿真分析得到實際接觸范圍主要集中在裙板中間部分,其他實際接觸范圍在約束附近并且集中在寬度約為20 mm的條帶內(nèi),實際接觸率為25%.將一體式工裝改進為3塊分離玻璃鋼工裝,通過模擬+6 kPa靜壓力試驗的仿真計算得到改進工裝的實際接觸率為49%,并且與一體式工裝相比,主要集中接觸范圍內(nèi)的實際接觸面積基本相同.因此試驗加載可采用分離式工裝,節(jié)約工作制作成本并且縮短試驗周期;
(3)對于帶格柵設(shè)備艙裙板的靜壓力試驗,若采用格柵和裙板一體隨型工裝進行加載,由于玻璃鋼工裝在格柵這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)處的制作公差會導(dǎo)致格柵安裝框處發(fā)生微小變形.一體隨型工裝的制作工藝有待提升.