CRH5G型动车组设备舱整体强度分析

CRH5G型动车组设备舱整体强度分析
一、前言
随着我国高速铁路大面积的快速发展，列车的运行环境趋于复杂多变，尤其是兰新二线的开通，动车组各部件必须有足够的结构强度才能保障动车组的正常运用，满足列车的运行需要。

而设备舱是动车组的一个非常重要的组成部分。

为保证设备舱在兰新二线等各种环境中静强度满足运用要求，本文参考了TB/T1335《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》和IEC61373《铁道车辆设备冲击和振动试验标准》，同时考虑不同工况的气动载荷，采用数值模拟的方法，对CRH5G型动车组的设备舱进行整体强度分析，为设备舱结构设计和安全运行提供参考。

二、设备舱简介
CRH5G型动车组设备舱主要由支架、裙板、底板、端板及通过台下部导流罩等组成，其主要作用是保护车下设备，利于设备换热，减小空气阻力，改善列车运行过程中的空气动力学性能。

设备舱整体为长弧箱形对称结构，根据车下设备布置，将设备舱分成若干个不同大小的舱室，每个舱室，通过裙板的通风格栅及端板的开口形成空气对流，满足设备的换热需求。

整个设备舱通过支架、裙板与车体底架相连接，支架采用铸铝横梁整体结构，通过螺栓与底架联接；裙板为铝板铆接结构，设有迷宫式通风格栅，通过容易开关的锁结构与车体联接；底板为玻璃钢泡沫复合结构，通过螺栓与支架联接，并通过销轴与裙板联接。

整个结构以方便安装、拆卸及利于车下设备的检修为基本设计原则。

三、模型的建立
采用大型通用的有限元分析软件Hypermesh建立设备舱结构有限元模型，其纵向为X 轴，横向为Y轴，垂向为Z轴，对裙板、支架、底板等结构采用壳单元shell81进行离散，在保证网格质量的前提下，为减小网络整体数量，采用5~30mm划分网格。

设备舱有限元模型如图3-1。

图3-1 设备舱有限元模型
四、边界条件及计算工况
设备舱支架通过螺栓固定在车体底架上，设备舱裙板通过裙板锁固定在车体底架两边，因此对设备舱裙板锁的锁孔和支架螺栓孔处的节点进行完全约束。

参考TB/T1335《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》和IEC61373《铁道车辆设备冲击和振动试验标准》，并考虑设备舱在各向的冲击和气动载荷作用，设置工况如下：
1、垂向载荷
工况一：垂向惯性力1g
2、纵向载荷
工况二：纵向惯性力5g和垂向惯性力1g；
工况三：横向惯性力3g和垂向惯性力1g；
工况四：垂向惯性力4g
3、气动载荷
主要考虑两类气动载荷对设备舱的影响：
①列车在1线，有挡风墙时，不同车速和风速下设备舱周边产生的气动载荷；
②列车在2线，有挡风墙时，不同车速和风速下设备舱周边产生的气动载荷；
根据《铁路运专线技术管理办法》关于动车组列车遇大风行车限速的规定及大风管理办
图4-1所示。

每个截面按周向取9个位置位置来监测内外压差，设备舱两侧裙板从上到下分别设置3个数据监控点，底板上对称设置3个监控点。

将每个截面上9个位置的监测的内外气动压力求差值（内压减外压），若为正值，则说明压力方向朝向设备舱外侧，若为负值，则相反。

图4-1 设备舱内外压差数据采集图
通过计算，1线各工况数据点内外压差最大值为（Pa）：
通过上述两个表格可以看出，组合的气动载荷要比各工况下的气动载荷还要恶劣。

故只取1线和2线的组合最大值作为计算的气动载荷，标定位工况五和工况六，同时这两个工况都包含垂向气动载荷1g。

4、复合工况
工况七：横向1g，垂向1.5g，自重1g，加1线气动载荷复合工况；
工况八：横向1g，垂向1.5g，自重1g，加2线气动载荷复合工况；
五、评估标准
设备舱各部位使用材料及其特性如下：
根据相关标准，各工况下Von Mises应力以所用的材料屈服强度来评定，其等效应力最大值不能超过对应材料的屈服强度值。

六、强度计算
设备舱有限元模型见图3-1，模型纵向长度为15018，横向宽度为3124，有限元模型中单元总数为966085，节点总数为1012403。

按上述八个工况对设备舱加载进行强度计算，加载情况效果图见下图：
图6-1 设备舱整体加载效果图
计算的应力云图见图6-2。

工况1 工况2
工况3 工况4
工况5 工况6
工况7 工况8
图6-2 设备舱整体应力云图
工况1 工况2
工况3 工况4
工况5 工况6
工况7 工况8
图6-3 设备舱整体合成位移云图
七、结论
在垂直静载、气动荷载、冲击荷载综合作用下，CRH5G 型动车组设备舱结构各部件的Von.mise 等效应力均小于相应材料的许用应力，裙板、底板安装强度以及设备舱整体强度满足ICE61373-1999和TB/T1335-1996要求。