一种轻量化模块化动车组行李架设计说明书

一种轻量化模块化动车组行李架设计The invention relates to a lightweight modular luggage rack design for emu摘要本设计主要是对高速动车上的行李架进行设计，行李架主要作用是承载旅客的行李。本设计主要从以下几方面进行：（1） 对行李架进行合理的，科学的有效的模块划分，既要便于工厂的生产，也要便于装配和以后部件的更换。（2） 对行李架进行轻量化，采用不同的型材来达到减轻行李架以达到减轻整个高速动车的质量，进而提高运行速度。（3） 通过Abaqus对设计好的行李架进行仿真分析，通过静强度校核选出最优方案。关键词：高速动车组；模块化；轻量化；结构仿真；仿真分析；AbstractThis design is mainly for high-speed train luggage rack design, luggage rack is mainly used to carry passengers luggage. This design is mainly carried out from the following aspects:(1) carry out reasonable, scientific and effective module division of the luggage rack, which is not only convenient for factory production, but also convenient for assembly and replacement of later parts.(2) the luggage rack is lightweight, using different profiles to reduce the luggage rack to achieve the reduction of the whole high-speed train quality, and then improve the running speed.(3) the designed luggage rack is simulated and analyzed by Abaqus, and the optimal scheme is selected by checking the static strength.Keywords：High-speed EMU; Lightweight; Structural simulation;Modularization; Finite element analysis; 目 录第一章 前言11.1 目的及意义11.2 国内外发展现状11.3 模块化设计31.4 轻量化设计41.5 Abaqus结构仿真4第二章 总体方案52.1 行李架模块化划分52.2 初选材料5第三章 各零部件设计73.1 行李架长度73.2 各部件设计11第四章 方案选择144.1 方案1144.2 方案2144.3 方案315第五章 静强度校核165.1 安装要求165.2 有限元模型165.3 静强度评定标准175.4 静强度分析工况175.5 静强度分析结果185.6 分析结果315.7 结论32参考文献33谢 辞34II第一章 前言1.1 目的及意义随着人们生活水平的不断提高，人们对生活质量的要求也越来越高。铁路运输在各种交通工具运输中占有重要地位，而高速动车成为了铁路运输的中坚力量，因此对高速动车的需求也越来越大，除此之外，人们对出行的效率的要求也越来越高。如何提高高速动车的运行速度成为了如今的一个重要问题。行李架是火车车内使用频率较高的主要部件之一，合理的模块划分，不但使得生产和安装简单方便，也便于更换损坏部件。轻量化设计减轻了行李架的重量，从而也减轻了整车质量，进而提高高速动车的运行速度。1.2 国内外发展现状随着铁路客车的发展，客车行李架的结构也在不断进步。21型客车为老式格栅行李架，采用钢管纵向贯通方式，钢板折边支架，如图1.1。80年代研制的双层客车，采用整体玻璃钢行李架，铝合金压铸支架，在后期批量生产时改为横格栅式行李架，仍采用铝压铸支架，其形式与现在25型客车类似，如图1.2。后来，在90年代研制的“一动六拖”和“两动九拖”车上，首次研制集照明、扬声器和行李存放功能一体化 薄型、透明板式行李架基体采用8mm厚玻璃板或进口透PC板，前后边梁和灯罩采用铝合金型材，支架为铝压铸方式。如图1.3和图1.4。图1.1 21型客车行李架图1.2 25型客车行李架图1.3高速动车行李架图1.4 高速动车行李架1.3 模块化设计1.3.1 模块化设计的必要性我国所产的高速动车型号很多，故动车组上的行李型号也很多，为了保证不同型号行李架相同部位或类似部位不同功能的需求，故采用模块化设计。将这些模块化的部件进行选择组装，可以形成功能相同但性能和规格不同产品。模块化的部件具有可互换性和可组合性两个特征。具有相同功能但性能不同的部件必须具有相同的安装基面和相同的安装尺寸，才能保证模块化的部件的有效组合。1.3.2 模块设计的优点（1） 提高装配效率。 各模块化部件先进行预组装，组装成一体后，在与火车内壁组装时，只需扣在内壁上再用螺栓固定即可，从而大大缩短了装配时间。（2） 提高维修效率。 某个部件损坏后，只需将受损部件拆卸下来，然后更换一个新的部件安装上去即可，大大缩短的维修时间。（3） 易于保证车辆的尺寸和形位公差。 行李架装配时以及与车辆进行总装配时，各模块部件之间通过螺栓连接，不需要焊接，因而没有焊接变形。（4） 更新材料快。若某个部件在后期研发出新型材料，即可按照原部件的规格生产即可，然后替换上去，大大提高了更新速度。如前挡板如今使用双层玻璃，若以后使用PC板，即可生产成玻璃板规格，然后替换上去，不需要将整个行李架拆卸，这样便提高了行李架的更新速度。（5） 提高了工厂的生产效率。 将行李架合理的模块化后，可减少生产工厂的模具开发，便于工厂生产，大大提高了生产速度，从而也提高了工厂的效率。1.3.3 模块化设计的原则 模块化设计的原则是在保证产品强度、硬度的前提下，尽量减少模块化后部件的数量且组成尽可能多的不同功能的产品。在这些的前提下还应尽可能使产品精度高，性能稳定，结构简单，成本低廉。模块化后的部件装配时应尽可能简单，故大部分用螺栓连接。因此在模块划分时，既要照顾到生产方便，也要照顾到管理和装配方便，另外还要考虑到以后的转变和升级。1.4 轻量化设计1.4.1 轻量化设计的必要性高速动车的优点在于高速运行，而火车在运行中收到的阻力主要在于火车与轨道间的摩擦力以及与空气的阻力，这些阻力不止于摩擦系数有关，也与整车质量有关，因此以减轻整车质量来达到减少高速动车在运行过程中所受到的摩擦力和阻力，这样也减少耗能。正因为如此，高速动车的轻量化设计也成为了高速动车设计的关键之一。高速动车行李架大概占整车质量的1%，轻量化该部件也是必要的。1.4.2 轻量化设计的原则轻量化设计是在保证其性能的前提下，通过改变其材料和设计的尺寸来实现减轻行李架质量的设计。1.5 Abaqus结构仿真在校核静强度过程中，各支撑部件不是规则的几何体，且之间具有相互作用，故不可以单单看成悬臂梁进行校核，然而Abaqus是一套功能强大的工程模拟有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到比较复杂的非线性问题。Abaqus还包括一个丰富的可模拟任意形状的单元库，并具有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，故应用Abaqus来进行结构仿真和静强度校核。第二章 总体方案2.1 行李架模块化划分根据行李架的功能及其便于工厂生产的原则，以及各部件具有一定的独立性和完整性，将行李架主要分为分为前支撑件、后支撑件和侧支撑板。又因为挡板不是重要支撑件且需要经常清洗，再一便于工厂生产，则将挡板分为前挡板和后挡板。内部车壁便于安装分为上车壁和下车壁，车壁内部还有一些辅助支撑件。如图2.1。8677234591图2.1 1安装座 2辅助件 3下内壁 4安装架 5前支撑杆 6前挡板 7后支撑杆 8后挡板9上内壁2.2 初选材料2.2.1 侧支撑板、前支撑杆和后支撑杆 这三个部件初选材料为6061-T6铝合金，6082-T6铝合金以及6005A-T6铝合金。数据见表2.1材料属性。表2.1 材料属性材料密度许用应力/MPa屈服强度/MPa6061-T6铝合金2.75g/cm2082406082-T6铝合金2.81g/cm1962266005A-T6铝合金2.71g/cm1862152.2.2 前挡板和后挡板 这两个部件初选材料为夹胶玻璃、超薄玻璃和PC材料。数据见表2.2材料属性。表2.2 材料属性材料厚度密度夹胶玻璃（4+0.76+3）mm16.52kg/m超薄玻璃（3+2+2）mm13kg/mPC材料8mm9.6kg/m2.2.3 车厢上内壁和下内壁这两个部件初选材料为SMC复合材料和复合材料。数据见表2.3材料属性。表2.3 材料属性密度模塑收缩率冲击强度弯曲强度燃烧性耐漏电起痕数长期耐热性温度指数绝缘电阻.级.级.2.2.4 其他部件其他部件如滑块，小支撑架初选为45钢。第三章 各零部件设计3.1 行李架长度依据EN 12663-1:2010铁路应用铁道车辆车体的结构要求的要求，一节火车长度为25米，空调出风口距车厢前壁1000mm，每个空调出风口间距为2000mm。除去两端连接处和卫生间占用长度，行李架总长度约为20米，因此设计单个行李架长度为1500mm,2000mm和2500mm。3.1.1 通过下内壁空调出风口进行选择下内壁模型如图3.1图3.1 下内壁（1）1500mm200001500=13500一节车厢需要13个1500mm的行李架及1个500mm的行李架，因此还需要26个侧支撑板。第一个行李架上空调出风口位置 15001000=500mm 1000mm 500mm图3.2第二个行李架上空调出风口位置 1500100=1000mm 1000-1000=0mm 500mm 1000mm 0mm图3.3第三个行李架上空调出风口位置 15000=1500mm 15001000=500mm0mm 1000mm 500mm图3.4第四个行李架上空调出风口位置 1500500=1000mm 1000-1000=0mm 500mm 1000mm 0mm图3.5第五个行李架空调出风口位置 15000=1500mm 1500-1000=500mm0mm 1000mm 500mm图3.6最后一个行李架长度 20000150013=500mm 无空调出风口500mm图3.7因此，该方案需要图3.2、图3.3、图3.4、图3.7四个模板。（2）2000mm 200002000=10一节车厢需要10个行李架，且均为2000mm，因此还需要20个侧支撑板。 第一个行李架上空调出风口位置 200010001000mm 100010000mm 1000mm 1000mm图3.8第二个行李架上空调出风口位置 200002000mm 200010001000mm 100010000mm0mm 1000mm 1000mm 0mm图3.9第三个行李架上空调出风口位置200002000mm 200010001000mm 100010000mm0mm 1000mm 1000mm 0mm图3.10最后一个行李架上空调出风口位置200002000mm 200010001000mm0mm 1000mm 1000mm图3.11因此，该方案需要图3.8、图3.9、图3.11三个模板。（3）2500mm200002500=8 一节车厢需要8个行李架，还需要16个侧支撑板。第一个行李架上空调出风口位置250010001500mmm1000mm 1000mm 500mm图3.12第二个行李架上空调出风口位置25005002000mm 200010001000mm 100010000mm 500mm 1000mm 1000mm 0mm图3.13第三个行李架上空调出风口位置250002500mm 250010001500mmm0mm 1000mm 1000mm 500mm图3.14第四个行李架上空调出风口位置25005002000mm 200010001000mm 100010000mm500mm 1000mm 1000mm 0mm图3.15第五个行李架上空调出风口位置250002500mm 250010001500mmm0mm 1000mm 1000mm 500mm图3.16最后一个行李架上空调出风口位置25005002000mm 200010001000mm500mm 1000mm 1000mm图3.173.1.2结论因此，该方案需要图3.12、图3.13、图3.14、图3.17四个模板。综上所述，将一个模块行李架长度确定为2000mm，生产时所需要的模版少，且安装时不容易混乱。所以初确定一个模块行李架长度为2000mm，但最终还需要通过Abaqus进行静强度校核，若校核通过，则确定为2000mm，否则再用1500mm进行校核。行李架结构设计3.2 各部件设计依据TB/T 3286铁道客车行李架和衣帽钩的要求，确定行李架下板与车内壁角度为60度，侧支撑板上边界与内壁角度为80度。高速动车规定行李架上准许放的最大行李箱为20寸拉杆箱，尺寸为34cm50cm20cm，,横放于行李架上，有前后支撑杆支撑。再参考200kmh动车组行李架模块化设计探讨、新型轻量化行李架研究、行李架吊装结构仿真分析的设计，侧支撑板如图3.18，厚度初设为10mm,下部支撑部分宽为10mm。后部宽度为20mm。依据初设计的侧支撑板，对其他部件的出设计如下图。图3.21为上内壁，图3.22为下内壁，图3.33为小安装架，图3.34为小滑块，图3.35为大安装架，图3.36为安装座，图3.37为整体图。图3.18侧支撑板 图3.19前支撑杆图3.20后支撑杆 图3.21 上内壁图3.22 下内壁图3.33 小安装架 图3.34小滑块 图3.35 安装座 图3.36大安装架图3.37第四章 方案选择4.1 方案1行李架总长为2000mm。根据高速列车设计统一要求，任何材料需满 足防火要求，超薄玻璃，夹胶玻璃，PC，SMC复合材料以及BMC复合材料均具有很好的防火性能，均满足 DIN5510 相关要求，即满足设计要求。PC密度89.676.8kg/m，超薄玻璃密度71391kg/m，夹胶玻璃密度7.7616.52128.1952kg/m。前后挡板不仅要考虑到轻量化，还需考虑到透光性好及美观，因此最优选择为超薄玻璃。SMC复合材料密度小于BMC复合材料，因此优选SMC复合材料。6005AT6铝合金密度最小，因此前后支撑板，侧支撑板及安装座优选铝合金6005AT6。大小安装架及大小滑块选材为45钢。因此，此方案在静强度校核符合的情况下为最优方案。各部件型材见表4.1。表4.1 方案1型材属性名称侧支撑板前后支撑杆安装座前后挡板上内壁下内壁大安装架小安装架大、小滑块尺寸厚度为10mm 宽度为110mm厚度为(3+2+2)mm厚度为4mm厚度为5mm厚度为3mm厚度为4mm材料6005AT6铝合金6005A T6铝合金6061T6铝合金超薄玻璃SMC复合材料SMC复合材料45钢45钢45钢4.2 方案2若方案1静强度校核不符合，则优先更换各部件材料再进行校核。方案2各型材属性见表4.2。表4.2 方案2型材属性名称侧支撑板前后支撑杆安装座前后挡板上内壁下内壁大安装架小安装架大、小滑块尺寸厚度为10mm 宽度为110mm厚度(4+0.76+3)mm厚度为4mm厚度为5mm厚度为3mm厚度为4mm材料6061T6铝合金6061T6铝合金6005AT6铝合金夹胶玻璃SMC复合材料SMC复合材料45钢45钢45钢 4.3 方案3 若方案2静强度校核仍不符合，则将方案1尺寸进行变更。方案3各型材属性见表4.3。表4.3 方案3各型材属性名称侧支撑板前后支撑杆安装座前后挡板上内壁下内壁大安装架小安装架大、小滑块尺寸厚度为20mm 宽度为130mm厚度为(3+2+2)mm厚度为7mm厚度为8mm厚度为7mm厚度为8mm材料6005AT6铝合金6005AT6铝合金6061T6铝合金超薄玻璃SMC复合材料SMC复合材料45钢45钢45钢第五章 静强度校核5.1 安装要求 行李架与安装座之间用M835的螺栓进行连接，安装座与车体再用M845的螺栓进行连接，具体螺栓连接说明见图5.1。图5.1 行李架安装座螺栓说明5.2 有限元模型行李架吊装结构有限元模型采用Abaqus软件划分，有限元模型的节点总数为1679293，单元总数为1506379，有限元模型为图5.2所示。有限元模型的坐标系参见图5.2，其中x为车体纵向方向，y为车体横向方向，z向为车体垂向方向。图5.25.3 静强度评定标准结构在各种静载荷作用下，各部位承受的应力均不得超出材料的许用应力。根据标准的规定，可表示为下列公式：式中，为屈服安全系数；为计算应力，为材料的屈服极限，安全系数规定为1.15。根据上述公式，行李架吊装结构中铝合金许用应力见表5.1。表5.1 材料特性及许用应力编号材料屈服应力/MPa许用应力/MPa16061-T624020826082-T622619636005A-T62151865.4 静强度分析工况依据TB/T 3286铁道客车行李架和衣帽钩的要求，行李架载荷工况如表5.2所示：表5.2 行李架载荷工况统计工况载荷示意图1计算载荷考虑行李架表面施加均布载荷1000N/m，同时在行李架前型材的左半部分中部施加850N的集中力2计算载荷考虑行李架表面施加均布载荷1000N/m，同时在行李架前型材的左半部分端部施加850N的集中力3计算载荷考虑行李架表面施加均布载荷1000N/m，同时在行李架前型材的右半部分端部施加850N的集中力5.5 静强度分析结果基于EN 12663-1:2010铁路应用铁道车辆车体的结构要求标准的行李架结构应力计算结果如表5.2所示。表5.2行李架结构静强度计算结果工况位置计算应力（MPa）材料许用应力（MPa）安全系数备注1侧墙板143.576005A-T61861.30图5.4安装座84.296061-T62082.47图5.6滑块81.646082-T61962.40图5.82侧墙板120.456005A-T61861.54图5.11安装座93.436061-T62082.23图5.13滑块70.786082-T61962.77图5.153侧墙板163.326005A-T61861.14图5.18安装座99.906061-T62082.08图5.20滑块97.936082-T61962.00图5.224侧墙板28.026005A-T61866.64图5.25安装座14.586061-T620814.27图5.27滑块24.656082-T61967.95图5.295侧墙板29.796005A-T61866.24图5.32安装座24.826061-T62088.38图5.34滑块23.406082-T61968.38图5.366侧墙板30.886005A-T61866.02图5.39安装座13.166061-T620815.81图5.41滑块21.046082-T61969.32图5.437侧墙板17.986005A-T618610.34图5.46安装座9.806061-T620821.22图5.48滑块14.066082-T619613.94图5.518侧墙板24.006005A-T61867.75图5.53安装座15.116061-T620813.77图5.55滑块14.456082-T619613.56图5.579侧墙板48.006005A-T61863.88图5.60安装座30.216061-T62086.89图5.62滑块28.916082-T61966.78图5.64 工况1静强度分析结果工况1载荷作用下行李架吊装结构的应力分布如图5.3图5.9所示。 图5.3 工况1侧墙板结构整体应力分布 图5.4 工况1侧墙板结构局部应力分布 图5.5 工况1安装座整体应力分布 图5.6 工况1安装座应力分布图5.7 工况1滑块整体应力分布 图5.8 工况1滑块局部应力分布 图5.9 工况1行李架结构整体变形图 工况2静强度分析结果工况2载荷作用下行李架吊装结构的应力分布如图5.9图5.16所示。图5.10 工况2侧墙板结构整体应力分布 图5.11 工况2侧墙板结构局部应力分布图5.12 工况2安装座整体应力分布 图5.13 工况2安装座局部应力分布图5.14 工况2滑块整体应力分布 图5.15工况1滑块局部应力分布图5.16 工况2行李架吊装结构整体变形图 工况3静强度分析结果工况3载荷作用下行李架吊装结构的应力分布如图5.17图5.23所示。图5.17 工况3侧墙板结构整体应力分布 图5.18 工况3侧墙板结构局部应力分布图5.19 工况3安装座整体应力分布 图5.20 工况3安装座局部应力分布图5.21 工况3滑块整体应力分布 图5.22 工况3滑块局部应力分布 图5.23 工况3行李架吊装结构整体变形图工况4静强度分析结果工况4载荷作用下行李架吊装结构的应力分布如图5.24图5.30所示。图5.24 工况4行李架结构整体应力分布 图5.25 工况4行李架结构局部应力分布1图5.26 工况4安装座整体应力分布 图5.27 工况4安装座局部应力分布图5.28 工况4滑块整体应力分布 图5.29 工况4滑块局部应力分布 图5.30 工况4行李架吊装结构整体变形图 工况5静强度分析结果工况5载荷作用下行李架吊装结构的应力分布如图5.31图5.37所示。图5.31 工况5侧墙板结构整体应力分布 图5.32 工况5侧墙板结构局部应力分布图5.33 工况5安装座整体应力分布 图5.34 工况5安装座局部应力分布图5.35 工况5滑块整体应力分布 图5.36 工况5滑块局部应力分布图5.37 工况5行李架吊装结构整体变形图 工况6静强度分析结果工况6载荷作用下行李架吊装结构的应力分布如图5.38图5.44所示。图5.38 工况6侧墙板结构整体应力分布 图5.39 工况6侧墙板结构局部应力分布图5.40 工况6安装座整体应力分布 图5.41 工况6安装座局部应力分布图5.42 工况6滑块整体应力分布 图5.43 工况6滑块局部应力分布图5.44 工况6行李架吊装结构整体变形图 工况7静强度分析结果工况7载荷作用下行李架吊装结构的应力分布如图5.45图5.51所示。图5.45 工况7侧墙板结构整体应力分布 图5.46 工况7侧墙板结构局部应力分布图5.47 工况7安装座整体应力分布 图5.48 工况7安装座局部应力分布图5.49 工况7滑块整体应力分布 图5.50 工况7滑块局部应力分布图5.51 工况7行李架吊装结构整体变形图 工况8静强度分析结果工况8载荷作用下行李架吊装结构的应力分布如图5.52图5.58所示。图5.52 工况8侧墙板结构整体应力分布 图5.53 工况8侧墙板结构局部应力分布图5.54 工况8安装座整体应力分布 图5.55 工况8安装座局部应力分布图5.56 工况8滑块整体应力分布 图5.57 工况8滑块局部应力分布图5.58 工况8行李架吊装结构整体变形图 工况9静强度分析结果工况9载荷作用下行李架吊装结构的应力分布如图5.59图5.65所示。图5.59 工况9侧墙板结构整体应力分布 图5.60 工况9侧墙板结构局部应力分布图5.61 工况9