箱門結構設計與優化

劉 亮， 蔣愛軍， 馮云明

（南京中車浦鎮海泰制動設備有限公司， 江蘇 南京 211800）

0 引言

動車組車下某設備箱箱門在使用時主要起防塵、防水的防護作用， 要求其不但有足夠的強度還要有足夠的剛度， 即在全開、 開合及搬運過程中箱門無明顯扭曲變形。因此，合理設計箱門結構使其具有足夠的剛度滿足使用要求是十分必要的。

本文使用ABAQUS 有限元分析軟件，采用有限元仿真模擬的方法， 對動車組某車下設備箱3 種不同結構的箱門進行了靜剛度仿真模擬， 得到了箱門的形變云圖并進行了對比分析?；谙溟T靜剛度仿真模擬分析結果，選擇合適的箱門結構設計方案進行產品加工， 成功解決了箱門剛度不足問題。

1 箱門結構設計

動車組某車下設備箱箱門由門板、多孔橡膠密封條、密封條限位板（可視為加強板）、壓力鎖、掛鉤和把手組成，見圖1。 為使產品輕量化，箱門門板及加強板均使用鋁合金材質。門板厚2mm，鈑金成形后，門板長L=1380mm，寬B=515mm，翻邊后整體高H=37mm。 加強板厚1.5mm，鈑金成L 形。

圖1 所示箱門為原始設計結構， 門板與加強版焊接成一體后，在加工搬運過程即出現明顯扭曲變形問題。 為提高箱門整體剛度，設計師暫停了原始結構箱門的加工，對箱門進行結構設計優化。

圖1 箱門Fig.1 The box door

影響箱門剛度的主要因素是構件的輪廓尺寸， 而不是材料的厚度[1]。 通過在箱門中心平板區域設置加強板， 增加該區域輪廓尺寸的方法， 設計出圖2 和圖3 兩種優化方案。

圖2 優化方案1Fig.2 The Optimization Scheme No.1

圖3 優化方案2Fig.3 The Optimization Scheme No.2

2 箱門剛度仿真計算

使用傳統的設計方法，需要加工出3 種不同結構的箱門實物， 進行結構剛度對比，選擇出合適的設計方案。如果這3 種結構均不能滿足剛度需求，則需要再次改進，加工實物進行驗證。 這種反復的過程需要耗費人力、物力和時間。 通過計算機有限元仿真模擬的方法，可以有效地模擬各種結構的箱門在擬設狀況下的響應情況，從而為箱門設計及改進提供理論參考，減少產品試加工次數，縮短產品研發周期。

2.1 有限元模型

使用有限元法對箱門進行靜剛度仿真模擬， 計算中的單位約定為：長度單位為mm，力的單位為N，應力單位為MPa。 對箱門作一下簡化處理：

（1）忽略多孔橡膠密封條、掛鉤和把手部件。

（2）忽略箱門上掛鉤鉚接孔、把手安裝孔等小孔特征。

（3）門板與加強板、加強板與加強板之間的焊接關系通過ABAQUS 軟件的綁定（Tie）功能來模擬。

箱門及與加強板是薄壁鈑金件， 其長度方向的尺寸遠遠大于厚度方向的尺寸，符合殼單元的理論假設，所以采用殼單元對各個部件進行離散化[2]。采用四邊形單元對箱門三維幾何模型劃分網格，門板網格目標邊長為5mm，加強板網格目標邊長為4mm， 初始方案箱門劃分網格后的有限元模型如圖4 所示。

圖4 有限元模型Fig.4 The finite element model

2.2 工況介紹

為模擬箱門彎曲變形， 以門板一條對角線為軸建立箱門的簡支梁模型。 在門板兩個對角點正下方建立兩個參考點RP-1、RP-2，如圖4 所示，分別將門板直角一定區域內的節點與各自下方的參考點建立耦合（Coupling）剛性連接。 對參考點RP-1 施加全固定約束，稱其為固支點，對參考點RP-2 僅施加Z=0 位移約束，稱其為簡支點。

設重力加速度沿Z 方向， 計算箱門在自重工況下的靜態變形。

2.3 計算結果與分析

基于相同設置， 建立3 種結構箱門的有限元模型并提交計算后， 使用ABAQUS 軟件后處理程序獲得箱門在設定載荷工況下的位移云圖如圖5～7 所示。

圖5 原始方案位移云圖Fig.5 Displacement contour plots of the original scheme

圖6 優化方案1 位移云圖Fig.6 Displacement contour plots of the optimization scheme No.1

圖7 優化方案2 位移云圖Fig.7 Displacement contour plots of the optimization scheme No.2

分析位移云圖5 可知， 箱門簡支點端懸空角處向下彎曲變形，變形程度最大，有限元仿真模擬結果與箱門實際變形狀態一致。

將3 種結構箱門最大變形計算結果及幾何模型重量進行統計，如表1。 分析表1 可知，原始結構箱門在設定工況下最大變形位移高達27.65mm，變形率（最大位移/門寬）高達5.36%，彎曲變形明顯。 優化方案1 箱門相對原始設計，產品重量增加20.08%，變形率降低71.1%。 優化方案2 箱門相對原始設計，產品重量增加30.02%，變形率降低84.74%。

表1 計算結果Tab.1 The calculation results

3 最終設計方案

箱門的結構設計， 首先要保證整套裝置可以正常工作，在此基礎上。 要最大限度的減少原材料的使用，在構件種類的選擇上也要減少[3]。 因此，箱門的結構設計要綜合產品功能需求、材料消耗、加工工藝、經濟效益等多方面因素。 本文所設計的箱門最終在產品重量許可范圍內選擇了變形率最小的優化方案2，并在原始方案半成品基礎上按優化方案2 進行加工生產，產品實樣如圖8。 經實際安裝使用驗證，箱門剛度滿足使用需求。

圖8 優化方案2 箱門產品實樣Fig.8 The product sample of the optimization scheme No.2

4 結語

本文利用ABAQUS 有限元分析軟件， 采用有限元分析的方法， 對動車組某車下設備箱3 種不同結構的箱門進行了靜剛度仿真模擬。 有限元仿真模擬獲得的箱門形變趨勢與箱門實際變形狀態一致。 經過對3 種結構箱門的變形率、重量等因素對比分析，最終在重量許可范圍內選擇了變形率最小的結構形式進行加工生產。 經實際安裝使用驗證，箱門剛度滿足使用需求。使用有限元方法在產品設計階段開展仿真模擬分析， 可以為產品結構設計與優化提供理論參考，具有很強的實用價值。