城轨车辆 ATC天线支架强度仿真计算及其分析

城轨车辆 ATC天线支架强度仿真计算及其分析

陈敏 党春梅

中国中车 株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001

摘要：预测ATC天线支架的结构刚度和精度具有重要意义，ATC天线支架结构由钢板焊接而成，结构较为复杂。本文分析了ATC天线支架的结构，模拟正常运营载荷工况及超载荷运营工况，通过hepermesh进行前处理，采用GOODMAN及ANSYS进行静强度及疲劳强度仿真计算及分析。根据计算和试验结果，ATC天线支架试验测得垂向、横向、纵向振动加速度小于设计标准垂向20g、横向15g、纵向15g，最大动应力远小于ATC天线材料16MnDR屈服强度355（MPa）。ATC天线支架满足静强度和疲劳强度要求。

关键词：城轨车辆；ATC天线支架；强度仿真计算

引言：ATC天线支架结构由钢板焊接而成，结构较为复杂，且承受传递载荷，对刚度和制造精度具有很高的要求。为保证加工精度和提高焊接质量，提前预测在生产制造过程中具有重要的意义。本文研究ATC天线支架结构强度的关键问题。在不简化模型结构的基础上，通过使用软件对所设计的ATC天线支架结构强度进行模拟仿真计算，结合车辆现场运营情况进行现场实物验证及跟踪。结果表明，所设计的ATC天线支架结构强度仿真计算和所跟踪的实物验证结果相符。ATC天线支架结构的设计满足静强度和疲劳强度的要求。

1 ATC天线支架结构

ATC支架安装板采用压型结构，尽量减少焊接； ATC天线支架，由左右座板 (12mm16MnDR)、支撑管（70×5无缝管20）和安装座（8mm16MnDR）形成组焊，通过螺栓联接支架组焊、垫片（2铝板EN AW 5754-H22）和过渡板（10mm16MnDR）而构成。该ATC天线的重约为5kg，材料参数如下表：

表1材料参数

2 ATC天线支架强度计算

（1）ATC安装支架主要由钢板结构焊接而成，结构较为复杂，故将采用实体单元进行计算，以获得准确的结果。通过hepermesh进行前处理，其模型和分网结果如下图1所示，其中ATC天线的质量为5kg。

图1 ATC天线支架前处理

现场加速度测试结果：ATC垂向加速度最大值17.94g、横向加速度最大值12.95g、纵向加速度最大值12.37g，分别选取超常载荷及纵向、横向、垂向模拟运营载荷。

超常载荷选取如下：纵向 F_x=+15mg；横向 F_y＝+15mg ；垂向 Fz=（-1+20）mg

模拟运营载荷为： 纵向 Fx=+6mg 、横向 Fy=+5mg、垂向 Fz =（-1+7）mg；该值大于标准规定的加速度（Fx =+2.5mg，横向 Fy =+5mg ，Fz =+6mg）。

设定模拟运营载荷工况1～8见表2，分别模拟运营横向载荷、纵向载荷、垂向载荷工况。在计算ATC天线支架超常工况时，对试验数据进行适当的提高，以满足更加恶劣工况。具体模拟运营和超常工况的组合如下（注g=9.82N/kg）：

表2模拟运营载荷工况

表3模拟超常载荷工况

（2）静强度及疲劳强度评定标准

静强度评定：对于工况9到工况16，各点应力均不得大于材料的屈服强度极限。

疲劳强度评定：采用最大主应力原则，通过goodman图进行校核。取工况1～8下的第一主应力的最大值、第三主应力的最小、最大等效应力所在区域，用所有工况全应力，对绝对值最大的主应力进行投影，取投影后与最大主导应力差值最大的应力为另一主导应力，主导应力大值为 ，小值为 ，平均应力及应力幅值为：

（3）静强度计算结果

ATC支架在超常工况应力云图见图2-1~2-8

表4 超常工况应力值

表4为静强度模拟工况的应力值，通过观察，其最大等效应力点主要分布在安装座板靠近天线侧的安装孔旁边及安装支板间的筋板上，其值都不超过材料的屈服强度，安全系数S=355/177=2。

图2-1 工况9等效应力云图 图2-2工况10等效应力云图

图2-3工况11等效应力云图 图2-4工况12等效应力云图

图2-5 工况13等效应力云图 图2-6 工况14等效应力云图

图2-7 工况15等效应力云图 图2-8 工况16等效应力云图

（4） 疲劳强度计算结果

对比各模型工况1～8，选取支架上应力较大的代表性的节点，计算出这些节点在8个工况下最大及最小主应力值。将各节点平均应力及最大最小主应力值点入Goodman曲线进行疲劳强度评估，天线支架各节点疲劳强度评定结果见下图3。

图3所示全部点都落在Goodman母材疲劳极限曲线内，所以，支架满足疲劳强度要求。

图3 ATC天线支座goodman图校核

3试验及结果分析

在实际运营的车辆上，对ATC安装支架进行现场试验，设置试验装置及传感器探头，搜集车辆运行中ATC安装支架的实际情况，对ATC天线支架和支座进行了动应力和振动加速度测试，具体试验结果如下表5

表5 ATC天线支架振动加速度测点测试结果

ATC天线支架动应力为：最大主应力7.838（MPa）, 在ATC支架左下侧位置,其它测点位置动应力都小于1（MPa）。全部都在Goodman图内，且有足够的余量。

4 结论

根据ATC天线支架结构静强度及疲劳强度计算和试验结果，ATC天线支架试验测得垂向、横向、纵向振动加速度小于设计标准垂向20g、横向15g、纵向15g，最大动应力远小于ATC天线材料16MnDR屈服强度355（MPa）。ATC天线支架满足静强度和疲劳强度要求。确保了车辆的正常运营。

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作者简介：陈敏（1985- ），中国中车株洲电力机车有限公司