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[摘要]：本文针对高速动车组车下设备舱中制动风缸吊卡与吊带在运营中出现的裂纹问题，通过有限元软件ANSYS建立仿真模型，从静强度角度分析制动风缸的安装强度，并改进设计方案，从而为制动风缸的安装和列车的安全运营提供了设计依据。
[关键词]：高速动车组 强度分析
1.前言
随着快速铁路客运网络建设的飞速发展，高速列车的运行速度越来越高，列车的安全运营成为人们关注的重要问题。本文针对高速动车组车下设备舱中制动风缸吊卡与吊带在运营中出现的裂纹问题，通过有限元软件ANSYS建立仿真模型，从静强度角度分析制动风缸的安装强度，并改进设计方案，从而为制动风缸的安装和列车的安全运营提供了设计依据。
2.制动风缸吊卡的有限元分析
动车组制动风缸单元处发现裂纹或断裂的部位集中在靠近裙板的最外侧风缸的吊卡和吊带处。几乎所有吊卡裂纹发生在吊卡折弯处根部或者折弯处附近。吊带产生裂纹或断裂处则发生在穿过吊卡的连接部位或在该部位附近。
制动风缸单元主要由风缸、风缸吊架、吊卡和吊带组成。风缸吊架为铝合金的焊接构件；三个风缸并排分布在风缸吊架上，通过螺栓与风缸的吊卡连接固定；每个风缸都有两套吊带吊卡装置，其材料均为不锈钢，吊带穿过吊卡的开孔，由吊带将压紧吊卡在风缸上，吊带由调节螺栓连接两端，并可调节吊带的松紧，形成风缸固定的困绑式结构。将吊带穿过吊卡的压紧结构改为吊带垂直于吊卡，并与吊卡通过螺栓连接，吊卡折弯处增加筋板和横梁，采用不锈钢的焊接结构。螺栓在实际工程过程中所施加的力矩为30 KN？m，相当于预紧力15 KN。
采用实体单元建立半个风缸的有限元模型，吊卡与吊带、吊带与风缸、螺栓与吊卡之间建立接触关系，考虑螺栓施加预紧力对吊卡与吊带的影响。第一工况为螺栓加载15kN的预紧力，第二工况施加车体纵向、横向、垂向三个方向的加速度和预紧力。第二工况的应力计算结果显示吊带上的高应力恰好发生在吊带与吊卡的接口处，该处吊带折过吊卡的开口处由与吊卡的接触转入与风缸的接触，是应力集中区域。吊带上最大应力值达到500MPa，已经超过吊带材质（不锈钢）的屈服极限350MPa。
3.制动风缸安装改进及分析
3.1制动风缸安装改进结构有限元模型
为消除吊卡与吊带在捆绑风缸中的应力集中缺陷，对结构进行了改进，将风缸下放到单元支架的下横梁上。建模时，不考虑橡胶与风缸吊带和风缸的接触，但考虑吊带与风缸支架接触，并施加了吊带连接处螺栓的预紧力，建立了整个风缸单元的模型，如图1所示。在载荷设计方面考虑了整个单元模型承受三个方向加速度载荷的影响。
3.2制动风缸安装改进结构计算结果
如图2为风缸单元的应力云图，从图中可以看到，高应力区仍然分布在施加预紧力的禁锢圈内（吊带和风缸支架）。在改进的方案中，虽然消除了吊带与吊卡的应力集中缺陷，即消除了产生裂纹的结构。图3为吊带的应力分布云图，吊带上的最大应力集中点为420.77MPa，小于材料的拉伸极限。但是，风缸的捆绑安装，是由吊带和风缸支架组成的，结构中仍然存在一定的问题：首先吊带的预紧力是不可控制的，它是和吊带的长短有关的；其次吊卡的约束是由风缸和吊带的预紧产生的，这就意味着当风缸受到横向作用力时吊卡会随着承力点的不同，可能发生转动，且螺栓承受弯矩，这是螺栓设计规则中不允许的；最后整个预紧系统是由风缸支架、吊带和吊卡组成，使得预紧力也分布在风缸支架上，尤其如图4焊缝分布在预紧区域内，吊带上的预紧力使得支架成为一个悬臂结构，其应力集中非常严重。
4.结论
通过上述的分析，可知原风缸安装方式，由于初始结构的缺陷，导致施加预紧力后应力集中，超过了材料的屈服极限值，成为疲劳裂纹产生的根源。在改进结构中，虽然消除了这种穿插压紧的结构，但是将预紧力释放到了整个风缸支架上，致使靠近预紧力圈的焊缝应力集中极为严重。综上所述，在以后的风缸安装的设计中，风缸的捆绑预紧的几个零件应在一个封闭的系统内或增加与外界连接的边界的刚度；吊带预留一个缺口进行预紧力的调节；吊带根部与吊卡应是死约束。
参考文献：
[1] 王勖成，邵敏. 有限单元法基本原理与数值方法. 北京：清华大学出版社，1988
[2] 徐凤妹，劳世定.客车车下设备吊挂方式的研究[J].铁道车辆，2009，47（4）：12-14
[3] 张曙光.高速列车设计方法研究[M].北京：中国铁道出版社，2009：5-6.
[关键词]：高速动车组 强度分析
1.前言
随着快速铁路客运网络建设的飞速发展，高速列车的运行速度越来越高，列车的安全运营成为人们关注的重要问题。本文针对高速动车组车下设备舱中制动风缸吊卡与吊带在运营中出现的裂纹问题，通过有限元软件ANSYS建立仿真模型，从静强度角度分析制动风缸的安装强度，并改进设计方案，从而为制动风缸的安装和列车的安全运营提供了设计依据。
2.制动风缸吊卡的有限元分析
动车组制动风缸单元处发现裂纹或断裂的部位集中在靠近裙板的最外侧风缸的吊卡和吊带处。几乎所有吊卡裂纹发生在吊卡折弯处根部或者折弯处附近。吊带产生裂纹或断裂处则发生在穿过吊卡的连接部位或在该部位附近。
制动风缸单元主要由风缸、风缸吊架、吊卡和吊带组成。风缸吊架为铝合金的焊接构件；三个风缸并排分布在风缸吊架上，通过螺栓与风缸的吊卡连接固定；每个风缸都有两套吊带吊卡装置，其材料均为不锈钢，吊带穿过吊卡的开孔，由吊带将压紧吊卡在风缸上，吊带由调节螺栓连接两端，并可调节吊带的松紧，形成风缸固定的困绑式结构。将吊带穿过吊卡的压紧结构改为吊带垂直于吊卡，并与吊卡通过螺栓连接，吊卡折弯处增加筋板和横梁，采用不锈钢的焊接结构。螺栓在实际工程过程中所施加的力矩为30 KN？m，相当于预紧力15 KN。
采用实体单元建立半个风缸的有限元模型，吊卡与吊带、吊带与风缸、螺栓与吊卡之间建立接触关系，考虑螺栓施加预紧力对吊卡与吊带的影响。第一工况为螺栓加载15kN的预紧力，第二工况施加车体纵向、横向、垂向三个方向的加速度和预紧力。第二工况的应力计算结果显示吊带上的高应力恰好发生在吊带与吊卡的接口处，该处吊带折过吊卡的开口处由与吊卡的接触转入与风缸的接触，是应力集中区域。吊带上最大应力值达到500MPa，已经超过吊带材质（不锈钢）的屈服极限350MPa。
3.制动风缸安装改进及分析
3.1制动风缸安装改进结构有限元模型
为消除吊卡与吊带在捆绑风缸中的应力集中缺陷，对结构进行了改进，将风缸下放到单元支架的下横梁上。建模时，不考虑橡胶与风缸吊带和风缸的接触，但考虑吊带与风缸支架接触，并施加了吊带连接处螺栓的预紧力，建立了整个风缸单元的模型，如图1所示。在载荷设计方面考虑了整个单元模型承受三个方向加速度载荷的影响。
3.2制动风缸安装改进结构计算结果
如图2为风缸单元的应力云图，从图中可以看到，高应力区仍然分布在施加预紧力的禁锢圈内（吊带和风缸支架）。在改进的方案中，虽然消除了吊带与吊卡的应力集中缺陷，即消除了产生裂纹的结构。图3为吊带的应力分布云图，吊带上的最大应力集中点为420.77MPa，小于材料的拉伸极限。但是，风缸的捆绑安装，是由吊带和风缸支架组成的，结构中仍然存在一定的问题：首先吊带的预紧力是不可控制的，它是和吊带的长短有关的；其次吊卡的约束是由风缸和吊带的预紧产生的，这就意味着当风缸受到横向作用力时吊卡会随着承力点的不同，可能发生转动，且螺栓承受弯矩，这是螺栓设计规则中不允许的；最后整个预紧系统是由风缸支架、吊带和吊卡组成，使得预紧力也分布在风缸支架上，尤其如图4焊缝分布在预紧区域内，吊带上的预紧力使得支架成为一个悬臂结构，其应力集中非常严重。
4.结论
通过上述的分析，可知原风缸安装方式，由于初始结构的缺陷，导致施加预紧力后应力集中，超过了材料的屈服极限值，成为疲劳裂纹产生的根源。在改进结构中，虽然消除了这种穿插压紧的结构，但是将预紧力释放到了整个风缸支架上，致使靠近预紧力圈的焊缝应力集中极为严重。综上所述，在以后的风缸安装的设计中，风缸的捆绑预紧的几个零件应在一个封闭的系统内或增加与外界连接的边界的刚度；吊带预留一个缺口进行预紧力的调节；吊带根部与吊卡应是死约束。
参考文献：
[1] 王勖成，邵敏. 有限单元法基本原理与数值方法. 北京：清华大学出版社，1988
[2] 徐凤妹，劳世定.客车车下设备吊挂方式的研究[J].铁道车辆，2009，47（4）：12-14
[3] 张曙光.高速列车设计方法研究[M].北京：中国铁道出版社，2009：5-6.