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摘要：动车组设备舱结构是安装于车下部位用以减小列车运行时的空气阻力、加强对车下悬挂装置的保护的专用车体部件。由于动车组运行线路复杂多样，车下环境恶劣多变，设备舱必须具有较好的结构特性才能满足其高速运行时的强度
要求，保证车下设备的正常功用。目前针对设备舱的研究工作主要着眼于其系统与组成部件的设计，采用通用有限元分析软件，建立设备舱裙板及骨架数值仿真模型，开展相应的强度分析与结构优化工作。
关键词：动车组；设备舱；整体强度；
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，尤其是京沪线、武广线的开通，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。
一、设备舱简介
该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。尤其是在明线交汇、进出隧道甚至是隧道交汇的工况下，设备舱所承受的气动载荷将通过裙板底板传递给车下设备模块承受而不再直接传导给车体，从而大大减少了气动载荷对列车的影响，从而实现车辆动力学指标（例如平稳性、脱轨系数、轮重减载率、轮轨冲角等）的满足。
二、 动车组设备舱整体强度
1. 有限元模型建立。仿真分析旨在捕捉细节结构的应力集中情形，从静力学角度评估细节结构的抗疲劳能力。要求有限元模型须包含细节结构，对模型进行精细分析，首先要对其进行精细建模，模型精细与否，对分析结果起着至关重要的作用，设备舱有限元模型如图1 所示。本文以整個模块为计算对象，采用大型通用有限元分析及处理软件HYPERMESH 及ANSYS建立有限元模型。结构模型主要采用壳单元建立，用梁单元模拟建立连接关系，但允许绕锁轴线的转动自由度。设备箱结构单元主要采用4节点等参薄壳单元模拟主体结构，用质量元来模拟附加结构的质量及分布位置，同时通过单元与相邻的有限元结构连接。在座等处较厚的结构也相应的采用了六面体实体单元模拟。壳单元的尺寸（长度）在大多数的结构部件中的典型长度约为10mm，而在更多的细化区域则要小一些，如裙板、底板壳单元的尺寸取10mm，裙板支架壳单元的尺寸取5mm，有的地方的单元长度约为3mm，如框架与安装座连接部位。整个计算模型节点总数采用有限元法进行计算时，必须在计算模型的某些节点上设置一定的约束条件，使方程组可解。有限元分析不但要适当进行结构抽象，也要认真考虑边界条件，即所关心结构的连接关系。本次研究对象为设备舱及裙板支架，模型中考虑了上述研究对象的连接关系，选取一段车体边梁作为支撑约束，在边梁上表面施加垂向约束，在两端施加横向、纵向和转动约束。
2.强度和模态计算结果分析。一是强度仿真计算。按载荷工况对设备箱模块框架进行计算，并对表中每个工况分别给出整体应力云图和局部应力云图（通常为较大应力点处应力云图及一些重要的应力部位）。由于设备箱模块裙板长度对于制动设备箱模块，气动载荷的影响占绝对主导地位。因此仅需重点考虑工况疲劳强度仿真分析和第气动载荷的影响的静强度仿真分析。采用加筋与加厚形式改进裙板上弯钩与裙板主板转角处的局部结构，其技术思路是通过增加结构刚度减小其局部应力。即为在裙板挂钩和主板连接处增加三角过渡，形成加筋结构；由原始3 mm增加至6 mm，基本结构不变。考虑到设备舱在气动载荷下有较大应力，在气动载荷工况下进行结构强度分析，得到相应的等效应力结果。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。
3.模态分析。为了解该模块的固有频率和振型，对该模块进行模态分析，提取结构整体模态前五阶振型，各工况静强度和疲劳强度主体结构均满足材料的屈服强度和疲劳极限要求。
4.静强度试验。一是试验加载和测点布置。依据该型动车组项目静强度试验大纲，对部分零部件结构进行静强度试验，试验中将制动设备箱模块的框架按照动车组上的安装方式固定于模拟使用状态的工装上。看最大合成应力发生在测点，其合成应力值试验结果的应力数据均小于其所用材质相对应的许用应力。同时对大部分仿真数值和试验数值相差不到15%，而框架的整体应力安全系数大于1.15%，证明有限元建模加载计算的手段同步性很高，从定性和定量上均可以较真实的反应结构的受力特点，对结构的优化设计提供有效支撑；另外，测点的仿真数值与试验测试结果相差超过此两点受气动载荷影响比较直接，证明结构对空气动力学的工况反馈不是十分稳定，存在一定的失真。后续仍需重点关注列车高速运行时空气压力对车下设备舱和车下设备的影响。
基于ANSYS有限元分析软件，通过对某型动车组车下设备箱模块进行静强度和疲劳强度分析校核和静试验验证，基本掌握了制动设备箱框架结构整体的应力水平及其安全系数，对其框架结构后续的改进优化具有一定的指导意义。而对于车下安装设备而言，由于动车组高速运行过程中，设备承受振动、冲击、气动压力等交变载荷，其工况更加复杂恶劣。因此，整个结构的疲劳可靠性更是至关重要，将是后续研究的重要方向。
参考文献：
[1]田红旗，粱习锋，许平.北京：列车空气动力性能研究及外形、结构设计方法[J].中国铁道科学，2017，（05）：138.
[2] 姚曙光. CRH5G 型动车组设备舱整体强度分析报告[R].长沙：中南大学2015.8.
[3]徐练，马纪军，范乐天，等.高速列车车下悬挂结构优化设计方法[J].大连交通大学学报，2016，33（5）：11-13，37.
（作者单位：中国中车唐山机车车辆有限公司）
要求，保证车下设备的正常功用。目前针对设备舱的研究工作主要着眼于其系统与组成部件的设计，采用通用有限元分析软件，建立设备舱裙板及骨架数值仿真模型，开展相应的强度分析与结构优化工作。
关键词：动车组；设备舱；整体强度；
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，尤其是京沪线、武广线的开通，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。
一、设备舱简介
该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。尤其是在明线交汇、进出隧道甚至是隧道交汇的工况下，设备舱所承受的气动载荷将通过裙板底板传递给车下设备模块承受而不再直接传导给车体，从而大大减少了气动载荷对列车的影响，从而实现车辆动力学指标（例如平稳性、脱轨系数、轮重减载率、轮轨冲角等）的满足。
二、 动车组设备舱整体强度
1. 有限元模型建立。仿真分析旨在捕捉细节结构的应力集中情形，从静力学角度评估细节结构的抗疲劳能力。要求有限元模型须包含细节结构，对模型进行精细分析，首先要对其进行精细建模，模型精细与否，对分析结果起着至关重要的作用，设备舱有限元模型如图1 所示。本文以整個模块为计算对象，采用大型通用有限元分析及处理软件HYPERMESH 及ANSYS建立有限元模型。结构模型主要采用壳单元建立，用梁单元模拟建立连接关系，但允许绕锁轴线的转动自由度。设备箱结构单元主要采用4节点等参薄壳单元模拟主体结构，用质量元来模拟附加结构的质量及分布位置，同时通过单元与相邻的有限元结构连接。在座等处较厚的结构也相应的采用了六面体实体单元模拟。壳单元的尺寸（长度）在大多数的结构部件中的典型长度约为10mm，而在更多的细化区域则要小一些，如裙板、底板壳单元的尺寸取10mm，裙板支架壳单元的尺寸取5mm，有的地方的单元长度约为3mm，如框架与安装座连接部位。整个计算模型节点总数采用有限元法进行计算时，必须在计算模型的某些节点上设置一定的约束条件，使方程组可解。有限元分析不但要适当进行结构抽象，也要认真考虑边界条件，即所关心结构的连接关系。本次研究对象为设备舱及裙板支架，模型中考虑了上述研究对象的连接关系，选取一段车体边梁作为支撑约束，在边梁上表面施加垂向约束，在两端施加横向、纵向和转动约束。
2.强度和模态计算结果分析。一是强度仿真计算。按载荷工况对设备箱模块框架进行计算，并对表中每个工况分别给出整体应力云图和局部应力云图（通常为较大应力点处应力云图及一些重要的应力部位）。由于设备箱模块裙板长度对于制动设备箱模块，气动载荷的影响占绝对主导地位。因此仅需重点考虑工况疲劳强度仿真分析和第气动载荷的影响的静强度仿真分析。采用加筋与加厚形式改进裙板上弯钩与裙板主板转角处的局部结构，其技术思路是通过增加结构刚度减小其局部应力。即为在裙板挂钩和主板连接处增加三角过渡，形成加筋结构；由原始3 mm增加至6 mm，基本结构不变。考虑到设备舱在气动载荷下有较大应力，在气动载荷工况下进行结构强度分析，得到相应的等效应力结果。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。
3.模态分析。为了解该模块的固有频率和振型，对该模块进行模态分析，提取结构整体模态前五阶振型，各工况静强度和疲劳强度主体结构均满足材料的屈服强度和疲劳极限要求。
4.静强度试验。一是试验加载和测点布置。依据该型动车组项目静强度试验大纲，对部分零部件结构进行静强度试验，试验中将制动设备箱模块的框架按照动车组上的安装方式固定于模拟使用状态的工装上。看最大合成应力发生在测点，其合成应力值试验结果的应力数据均小于其所用材质相对应的许用应力。同时对大部分仿真数值和试验数值相差不到15%，而框架的整体应力安全系数大于1.15%，证明有限元建模加载计算的手段同步性很高，从定性和定量上均可以较真实的反应结构的受力特点，对结构的优化设计提供有效支撑；另外，测点的仿真数值与试验测试结果相差超过此两点受气动载荷影响比较直接，证明结构对空气动力学的工况反馈不是十分稳定，存在一定的失真。后续仍需重点关注列车高速运行时空气压力对车下设备舱和车下设备的影响。
基于ANSYS有限元分析软件，通过对某型动车组车下设备箱模块进行静强度和疲劳强度分析校核和静试验验证，基本掌握了制动设备箱框架结构整体的应力水平及其安全系数，对其框架结构后续的改进优化具有一定的指导意义。而对于车下安装设备而言，由于动车组高速运行过程中，设备承受振动、冲击、气动压力等交变载荷，其工况更加复杂恶劣。因此，整个结构的疲劳可靠性更是至关重要，将是后续研究的重要方向。
参考文献：
[1]田红旗，粱习锋，许平.北京：列车空气动力性能研究及外形、结构设计方法[J].中国铁道科学，2017，（05）：138.
[2] 姚曙光. CRH5G 型动车组设备舱整体强度分析报告[R].长沙：中南大学2015.8.
[3]徐练，马纪军，范乐天，等.高速列车车下悬挂结构优化设计方法[J].大连交通大学学报，2016，33（5）：11-13，37.
（作者单位：中国中车唐山机车车辆有限公司）