某型地铁配电箱强度有限元分析

牛小伟，李西安

（郑州铁路职业技术学院机车车辆学院，河南 郑州，450052）



某型地铁配电箱强度有限元分析

牛小伟，李西安

（郑州铁路职业技术学院机车车辆学院，河南 郑州，450052）

［摘要］利用有限元分析软件HyperMesh建立配电箱的有限元模型，并使用Ansys进行分析计算，获得五种静强度工况和三种疲劳强度工况下的等效应力分布情况；并依据强度评判标准，判断该型设计的合理性，以便对配电箱结构进行进一步优化。

［关键词］有限元分析，强度，应力，Ansys

1引言

静强度和疲劳强度是影响设备失效和使用寿命的两个重要因素，地铁在运行过程中由于线路不平顺、设备运转以及各部件的相互作用，都会使设备受到冲击和振动，从而引起静强度和疲劳强度发生变化。所以，了解设备在地铁运行过程中的静强度和疲劳强度情况，对保证设备的运行安全和使用寿命至关重要［1］。以往大部分设备的结构设计都采用传统的经验设计，为了达到设计的合理化，需要使用试样进行大量的试验。这不仅拖延了设计周期，增加了设计费用，而且试验过程短，难以观察到变化过程。边界条件不容易控制，使得试验重复性低，难以测量产品设备内部变化情况等［2］。而采用有限元仿真就可弥补传统设计的上述不足，在试样出来之前就对其性能有预先的了解，提高了设计效率，也为进一步的结构优化提供了参考。

2仿真模型建立

配电系统是地铁供电网络的中枢系统，与配电系统相关的各种电气设备均需要安装在配电箱中，配电箱为保障配电系统的平稳运行起到了重要的保障作用。

该型配电箱箱体由厚度为3mm的角钢和2mm的冷轧板材焊接而成，材料均为06Cr19Ni10不锈钢，这是一种应用广泛的铬-镍不锈钢，它具有良好的耐腐蚀性、耐热性、低温强度以及良好的机械加工性能和焊接性。这种材料的弹性模量为2.1e5，泊松比为0.29，材料密度为7930Kg/m3，屈服强度为205MPa。配电箱通过箱体上部四角处的四个吊耳固定于列车车体上，配电箱的总质量为27Kg。配电箱结构及安装方式如图1所示，材料的性能参数如表1所示。

图1　配电箱结构及安装方式

表1　配电箱材料性能参数

传统的结构设计方法，采用先出设计然后再分析最后进行试验验证，可能需要反复多次对设计进行修改然后再分析再试验，花费大量的人力物力。随着市场竞争越来越激烈，传统的结构设计方法已不能满足需要，各种新方法和新手段层出不穷。尤其是有限元法随着计算机技术的发展取得了长足进步，正在逐步替代传统方法，成为设计中的主流方法。

目前常见的有限元软件各有特色，并且通用性越来越强，可以利用各自不同的优点将其结合起来使用。例如HyperMesh的建模功能非常强大，但分析计算能力稍弱，而Ansys的分析计算能力很强，但建模能力又有所欠缺，因此可以将二者结合起来，采用HyperMesh软件进行建模［3］，然后导入Ansys软件中进行计算。

有限元模型的单元数量和单元类型直接决定了分析计算的精度和计算所用的时间，由于配电箱主要是由薄壁板材和角钢焊接而成，因此适宜采用shell63壳单元来模拟［4］。对于箱体内的其他设备，由于他们是非承载体不承受载荷，因此适宜采用mass21质量单元来模拟。并以刚性单元来模拟配电箱四个吊耳的安装情况。这样建立的模型可以兼顾计算精度和计算时间，如图2所示为配电箱有限元模型，该模型的节点总数为37899；单元总数为39253。

图2　配电箱的有限元模型

3仿真条件及评定标准

静强度主要研究结构在常温条件下承受载荷的能力，抵抗变形的能力（刚度）和在载荷作用下的响应（应力分布、变形形状、屈曲模态等）特性。疲劳强度是结构在无限多次交变载荷作用下会产生破坏的最大应力。在交变应力的作用下，即使结构承受的应力小于材料的屈服强度，但经过应力的反复作用后结构会产生裂纹或突然断裂，这种现象被称为疲劳破坏。据相关统计数据，在结构的失效中有超过80%是属于疲劳破坏的，远高于由于静强度不足而产生的失效。并且这种破坏在之前没有明显的迹象，往往造成重大事故。

由于地铁在实际运行中，车轮和钢轨以及设备的运转存在交变载荷，因此除静强度外，还必须考虑配电箱的疲劳强度。根据地铁的实际运行情况，确定了配电箱静强度分析的五种载荷工况和疲劳强度分析的三种载荷工况，如表2所示：

表2 配电箱载荷工况

在各静强度载荷工况作用下，配电箱的应力不得超出材料的屈服强度；在各疲劳强度载荷工况作用下，配电箱母材和其它焊接接头的许用应力幅不得大于等级C［5］，各等级的许用应力幅见表3（循环次数N=107）。

表3　各等级许用应力幅（N=107）

4仿真结果分析

通过调用Ansys软件进行求解，可获得配电箱在各载荷工况作用下应力大小及分布情况，如图3所示为静强度工况1-5作用下，配电箱的应力云图［6］。

图3　静强度工况1-5作用下配电箱的应力云图

图4所示为疲劳强度工况1-3作用下，配电箱的应力云图。

图4　疲劳强度工况1-3作用下配电箱的应力云图

在各静强度和疲劳强度载荷工况作用下，配电箱的计算结果归纳见表4。从表4可以得出：配电箱的静强度和疲劳强度均满足设计要求。

表4　配电箱强度计算结果

5结语

在设备的设计阶段，采用有限元技术对其进行分析，可为工程师提供非常有用的信息。本文使用HyperMesh建立配电箱的有限元模型，采用Ansys进行计算求解，分析了配电箱的静强度和疲劳强度，分析结果表明在各种静强度工况和疲劳强度工况下，配电箱箱体各处的应力均小于许用应力，因此该型配电箱的结构强度满足设计要求，有限元分析的结果为产品的设计定型提供了可靠的依据，也为产品的进一步优化提供了有价值的参考。

［参考文献］

［1］张志华.动车组铝合金车体结构强度分析［D］.北京：北京交通大学，2005.

［2］赵宏彦.城市客车车身结构有限元分析［D］.江苏：江苏大学，2005.

［3］滕万秀.高速动车组车体结构强度及动态特性研究［D］.成都：西南交通大学，2009.

［4］何志刚.大客车车身结构强度及刚度分析［J］.机械研究与应用，2001，14（4）：4-6.

［5］郭富强，吴丹，商跃进等.T·JK4加强型车辆减速器制动钳疲劳强度分析［J］.机车电传动，2011，（2）：28-30.

［6］陈庆强，朱胜昌.大型集装箱船整船有限元分析计算技术研究［J］.船舶力学，2006，10（1）：80-91.

［中图分类号］U231.8

［文献标识码］A

［文章编号］1671-5004（2016）03-0013-03

［收稿日期］2016-4-7

［作者简介］牛小伟（1988-），男，山西长治人，郑州铁路职业技术学院机车车辆学院助教、硕士，研究方向：轨道车辆有限元仿真。李西安（1989-），男，河南郸城人，郑州铁路职业技术学院机车车辆学院助教、硕士，研究方向：轨道车辆可靠性分析。

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