地铁车下设备吊挂结构强度分析及优化
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由设备的 特 点 和 标 准 要 求,静 强 度 计 算 和 疲 劳 强
度 计 算 分 别 有 ５ 种 和 ８ 种 工 况 ,如 表 ２ 和 表 ３ 所 示 .
３ 仿 真 结 果 及 分 析
３．１ 静 强 度 计 算 结 果 表４是静 强 度 计 算 结 果,可 以 看 出 各 工 况 应 力 相
为保证计 算 精 度,有 限 元 模 型 包 括 了 转 接 梁 及 相 关的 所 有 零 部 件,其 中 转 接 梁、安 装 座、螺 栓、螺 母、垫 片等均采用 六 面 体 实 体 单 元,地 板、边 梁、逆 变 器 等 采 用壳单元.吊 挂 点 附 近 区 域 单 元 细 化. 模 型 共 ５９ 万 节 点 ,４５ 万 单 元 . 有 限 元 模 型 如 图 １.
３．２ 疲 劳 强 度 计 算 结 果 选 取 所 有 单 元 在 八 个 工 况 下 的 应 力 最 大 值σmax 与
最 小 值σmin 来 计 算 该 单 元 的 平 均 应 力σm 和 应 力 幅σa . 具体计算公式如下:
σm
＝
σmax
＋σmin ２
,σa
＝
σmax
－σmin ２
将疲劳强 度 表 示 在 疲 劳 极 限 图 中,以 此 判 断 该 单
垂向 １．５g
１g １g １g １g
表 ３ 疲 劳 计 算 工 况
工况 工况一 工况二 工况三 工况四 工况五 工况六 工况七 工况八
横向 ０．１５g －０．１５g －０．１５g ０．１５g ０．１５g －０．１５g ０．１５g －０．１５g
纵向 ０．１５g －０．１５g ０．１５g －０．１５g ０．１５g －０．１５g －０．１５g ０．１５g
垂向 １．１５g １．１５g １．１５g １．１５g ０．８５g ０．８５g ０．８５g ０．８５g
表 ４ 静 强 度 计 算 结 果
工况 等效应力 安全系数
一 １８４MPa
１．３８二 １９２MPa来自１．３３三 １８８ MPa
１．３５
四
五
１８４ MPa １８４ MPa
１．３９
１．３９
图 ２ 静 强 度 工 况 二 等 效 应 力 云 图
a． 整 体 模 型
b． 局 部 放 大 图 １ 有 限 元 模 型 １８６ 现代商贸工业 ２０１８年第 ２１ 期
２．３ 材 料 属 性 转接梁 和 底 板 采 用 铝 型 材 ６０８２－T６,其 余 零 部 件
均 采 用 不 锈 钢 ３０４L,材 料 属 性 如 表 １ 所 示 . 表 １ 材 料 性 能
关 键 词 :地 铁 ;逆 变 器 ;吊 挂 ;转 接 梁 中 图 分 类 号 :TB 文 献 标 识 码 :A doi:１０．１９３１１/j．cnki．１６７２Ｇ３１９８．２０１８．２１．０８９
１ 概 述 地铁作为 一 种 城 市 轨 道 交 通 类 型,具 有 运 输 能 力
工程管理与技术
地铁车下设备吊挂结构强度分析及优化
仲崇成 刘元君 何佳捷 阮大卫
(中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛 ２６６０００)
摘 要:通过计算地铁逆变器的车下吊挂结构 在 车 辆 运 行 过 程 中 受 到 横 向、纵 向、垂 向 三 个 方 向 载 荷 作 用 时 的应力,对吊挂结构进行优化,计算结果表明,优化后的吊挂结构静强度和疲劳强度 的 安 全 系 数 均 有 提 高,大 幅 提 升 了 地 铁 的 安 全 运 营 保 障 ,也 为 其 他 吊 挂 设 备 优 化 提 供 了 可 靠 的 依 据 .
强、高速、准 时、安 全、污 染 少、节 省 空 间 等 优 点. 近 年 来,地铁的建 设 和 运 营 取 得 了 迅 猛 的 发 展. 地 铁 车 辆 作为地铁运输 体 系 中 的 关 键 装 备,对 车 辆 及 其 零 部 件 的安全评估也就越来越重要.地铁车辆有很多的车下 吊挂设备,这些 设 备 的 吊 点 往 往 不 具 备 直 接 安 装 到 车 体的条件,所以需要通过转 接 梁 连 接 到 车 体 上,这 种 转 接梁式的吊挂结构起到了承上启下的作用.对这些吊 挂结构的强度的评估和优化对地铁的安全运营具有重 要的意义.逆变器是某地铁车下吊挂设备中质量最大 的 设 备,为 此 以 逆 变 器 为 例 对 吊 挂 结 构 进 行 分 析 和 优化. ２ 吊 挂 结 构 有 限 元 模 型 建 立 ２．１ 几 何 模 型
逆变器设备 重 ８６５kg,为 ８ 点 吊 挂,车 体 横 向 方 向 ６个,纵向２个,每个吊点都是用螺栓、垫片和双 螺 母 将 逆变器吊耳与转接梁紧固连接.转接梁和地板之间通 过２１个螺栓、螺母、垫片 连 接,转 接 梁 上 有 过 孔. 与 逆 变 器 相 关 的 转 接 梁 共 有 ６ 根 ,横 纵 排 列 . ２．２ 有 限 元 模 型
元的应力值是否满足结构的疲劳强度.图３是疲劳极 限图,所有单 元 都 在 母 材 疲 劳 极 限 内. 结 构 的 疲 劳 安
全 系 数 是 １．１９.
图 ４ 两 个 方 案 静 强 度 工 况 等 效 应 力 和 安 全 系 数 对 比 图 ５ 优 化 方 案 工 况 ２ 的 等 效 应 力 云 图
材料 ６０８２－T６
３０４L
密 度 [g/cm３] ２．７ ７．９３
杨 氏 系 数 [GPa] ６９ ２０６
泊松比 ０．３ ０．３
２．４ 计 算 工 况 和 边 界 条 件 根据铁路 车 辆 车 体 结 构 的 相 关 标 准 规 定,车 下 设
备静强度需满足纵向±３g、横 向 ±１g、垂 向 (１±C)g载 荷及 载 荷 组 合 要 求,疲 劳 强 度 需 满 足 纵 向 ±０．１５g、横 向±０．１５g、垂向(１±０．１５g)载 荷 及 载 荷 组 合 要 求. 根 据逆变器在车体上的安装位置确定 C 取０．５.
差不大,其 中 工 况 ２ 稍 大 些,安 全 系 数 １．３３,图 ２ 是 此 工况的 应 力 云 图,应 力 最 大 点 在 转 接 梁 上 表 面 吊 点
附近.
表 ２ 静 强 度 计 算 工 况
工况 工况一 工况二 工况三 工况四 工况五
横向 ０ ０ ０ １g
－１g
纵向 ０
－３g ３g ０ ０
度 计 算 分 别 有 ５ 种 和 ８ 种 工 况 ,如 表 ２ 和 表 ３ 所 示 .
３ 仿 真 结 果 及 分 析
３．１ 静 强 度 计 算 结 果 表４是静 强 度 计 算 结 果,可 以 看 出 各 工 况 应 力 相
为保证计 算 精 度,有 限 元 模 型 包 括 了 转 接 梁 及 相 关的 所 有 零 部 件,其 中 转 接 梁、安 装 座、螺 栓、螺 母、垫 片等均采用 六 面 体 实 体 单 元,地 板、边 梁、逆 变 器 等 采 用壳单元.吊 挂 点 附 近 区 域 单 元 细 化. 模 型 共 ５９ 万 节 点 ,４５ 万 单 元 . 有 限 元 模 型 如 图 １.
３．２ 疲 劳 强 度 计 算 结 果 选 取 所 有 单 元 在 八 个 工 况 下 的 应 力 最 大 值σmax 与
最 小 值σmin 来 计 算 该 单 元 的 平 均 应 力σm 和 应 力 幅σa . 具体计算公式如下:
σm
＝
σmax
＋σmin ２
,σa
＝
σmax
－σmin ２
将疲劳强 度 表 示 在 疲 劳 极 限 图 中,以 此 判 断 该 单
垂向 １．５g
１g １g １g １g
表 ３ 疲 劳 计 算 工 况
工况 工况一 工况二 工况三 工况四 工况五 工况六 工况七 工况八
横向 ０．１５g －０．１５g －０．１５g ０．１５g ０．１５g －０．１５g ０．１５g －０．１５g
纵向 ０．１５g －０．１５g ０．１５g －０．１５g ０．１５g －０．１５g －０．１５g ０．１５g
垂向 １．１５g １．１５g １．１５g １．１５g ０．８５g ０．８５g ０．８５g ０．８５g
表 ４ 静 强 度 计 算 结 果
工况 等效应力 安全系数
一 １８４MPa
１．３８二 １９２MPa来自１．３３三 １８８ MPa
１．３５
四
五
１８４ MPa １８４ MPa
１．３９
１．３９
图 ２ 静 强 度 工 况 二 等 效 应 力 云 图
a． 整 体 模 型
b． 局 部 放 大 图 １ 有 限 元 模 型 １８６ 现代商贸工业 ２０１８年第 ２１ 期
２．３ 材 料 属 性 转接梁 和 底 板 采 用 铝 型 材 ６０８２－T６,其 余 零 部 件
均 采 用 不 锈 钢 ３０４L,材 料 属 性 如 表 １ 所 示 . 表 １ 材 料 性 能
关 键 词 :地 铁 ;逆 变 器 ;吊 挂 ;转 接 梁 中 图 分 类 号 :TB 文 献 标 识 码 :A doi:１０．１９３１１/j．cnki．１６７２Ｇ３１９８．２０１８．２１．０８９
１ 概 述 地铁作为 一 种 城 市 轨 道 交 通 类 型,具 有 运 输 能 力
工程管理与技术
地铁车下设备吊挂结构强度分析及优化
仲崇成 刘元君 何佳捷 阮大卫
(中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛 ２６６０００)
摘 要:通过计算地铁逆变器的车下吊挂结构 在 车 辆 运 行 过 程 中 受 到 横 向、纵 向、垂 向 三 个 方 向 载 荷 作 用 时 的应力,对吊挂结构进行优化,计算结果表明,优化后的吊挂结构静强度和疲劳强度 的 安 全 系 数 均 有 提 高,大 幅 提 升 了 地 铁 的 安 全 运 营 保 障 ,也 为 其 他 吊 挂 设 备 优 化 提 供 了 可 靠 的 依 据 .
强、高速、准 时、安 全、污 染 少、节 省 空 间 等 优 点. 近 年 来,地铁的建 设 和 运 营 取 得 了 迅 猛 的 发 展. 地 铁 车 辆 作为地铁运输 体 系 中 的 关 键 装 备,对 车 辆 及 其 零 部 件 的安全评估也就越来越重要.地铁车辆有很多的车下 吊挂设备,这些 设 备 的 吊 点 往 往 不 具 备 直 接 安 装 到 车 体的条件,所以需要通过转 接 梁 连 接 到 车 体 上,这 种 转 接梁式的吊挂结构起到了承上启下的作用.对这些吊 挂结构的强度的评估和优化对地铁的安全运营具有重 要的意义.逆变器是某地铁车下吊挂设备中质量最大 的 设 备,为 此 以 逆 变 器 为 例 对 吊 挂 结 构 进 行 分 析 和 优化. ２ 吊 挂 结 构 有 限 元 模 型 建 立 ２．１ 几 何 模 型
逆变器设备 重 ８６５kg,为 ８ 点 吊 挂,车 体 横 向 方 向 ６个,纵向２个,每个吊点都是用螺栓、垫片和双 螺 母 将 逆变器吊耳与转接梁紧固连接.转接梁和地板之间通 过２１个螺栓、螺母、垫片 连 接,转 接 梁 上 有 过 孔. 与 逆 变 器 相 关 的 转 接 梁 共 有 ６ 根 ,横 纵 排 列 . ２．２ 有 限 元 模 型
元的应力值是否满足结构的疲劳强度.图３是疲劳极 限图,所有单 元 都 在 母 材 疲 劳 极 限 内. 结 构 的 疲 劳 安
全 系 数 是 １．１９.
图 ４ 两 个 方 案 静 强 度 工 况 等 效 应 力 和 安 全 系 数 对 比 图 ５ 优 化 方 案 工 况 ２ 的 等 效 应 力 云 图
材料 ６０８２－T６
３０４L
密 度 [g/cm３] ２．７ ７．９３
杨 氏 系 数 [GPa] ６９ ２０６
泊松比 ０．３ ０．３
２．４ 计 算 工 况 和 边 界 条 件 根据铁路 车 辆 车 体 结 构 的 相 关 标 准 规 定,车 下 设
备静强度需满足纵向±３g、横 向 ±１g、垂 向 (１±C)g载 荷及 载 荷 组 合 要 求,疲 劳 强 度 需 满 足 纵 向 ±０．１５g、横 向±０．１５g、垂向(１±０．１５g)载 荷 及 载 荷 组 合 要 求. 根 据逆变器在车体上的安装位置确定 C 取０．５.
差不大,其 中 工 况 ２ 稍 大 些,安 全 系 数 １．３３,图 ２ 是 此 工况的 应 力 云 图,应 力 最 大 点 在 转 接 梁 上 表 面 吊 点
附近.
表 ２ 静 强 度 计 算 工 况
工况 工况一 工况二 工况三 工况四 工况五
横向 ０ ０ ０ １g
－１g
纵向 ０
－３g ３g ０ ０