基于Workbench的高铁动车组3C连接件流固耦合分析

1. 计算背景 本连接构件用在高速铁路动车组车顶上，用于连接车顶底座和设备外壳。该构件在111m/s（对应列车400km/h的速度）的行车速度及在30m/s的横风（角度变化-15°至15°）作用下的结构位移场、应变场及应力场的响应。该构件使用SUS304不锈钢冷拔板材，通过焊接方式成型。本次模拟，未考虑焊接残余应力对模拟结果的影响，只考虑该3C构件在风载荷下的流固耦合响应，未考虑连接设备的配重等其他附加载荷作用。
2. 材料参数与工况 材料参数为SUS304奥氏体不锈钢，计算取弹性模量200GPa，泊松比0.3。为了考虑计算结果适用于全国大部分区域，选取零海拔室温气体密度1.225kg/m3，1个大气压。 计算工况为模拟行车速度111m/s及30m/s的横风（角度变化-15°至15°）作用。将行车速度与横风速度进行列车行车方向和垂直于列车方向分解，并等效合成，角度定义示意图见图1所示。按照横风作用角度变化5°为增量划分为7个工况，风速等效合成结果图1表格所示。

                                                   图1 行车速度与横风等效合成示意图

3. 模型的建立

本次模拟计算过程为，使用ANSYS流场计算模块，分析在给定风速作用下构件附近流场的分布，进而得到构件表面的风压载荷。再将风压载荷输入至结构场，计算结构的力学响应。计算流程如图2所示。流场网格划分如图3所示，结构有限元网格划分见图4所示。

                                                           图2 计算流程图

                                                       图3 流体域网格

                                                           图4 结构网格

4. 模拟计算结果

经过模拟分析，在横向风速的角度变化的7种工况下，结构的变形及应力响应变化不大。工况1对应的最大应力为26.007MPa，最大位移为0.1287mm，为7种工况中应力和变形响应最大的情况。报告给出行车速度111m/s，横向风速30m/s，角度-15°工况下的计算结果云图（其余工况计算结果，留言可以提供原始文件）。图5给出了流场矢量图，图6给出了流场压力图。由于横向风的作用，横向迎风面产生了相应的流场挠动及压力波动。图7给出了结构位移场，图中红**域为变形最大区域，最大位移值为0.1287mm。图8给出了结构应变场，图9给出了结构应力场，最大Von Mise应力为26.007MPa。最大位移计最大应力均发生在构件上层横板上。

图5 流场矢量图

图6 流场压力图

图7 结构位移场

图8 结构等效应变场

图9 结构Von Mises等效应变场

5. 附加示意图

流体区域示意图

固体区域示意图

速度云图

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