地鐵列車自動控制天線支架結構改進設計

張明陽 龍章華

（中國南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，工程師）

本文所述ATC（列車自動控制）天線支架是為地鐵車輛設計的新型結構，作為ATC天線及輪緣潤滑噴嘴的安裝座，安裝于轉向架端部。其結構的可靠性和承受振動沖擊的能力，將直接影響車輛系統(tǒng)信號接收及車輛運行的安全，因此必須保證其強度和剛度滿足設計要求，同時還應具有良好的動力學性能。為驗證此ATC天線支架的結構強度及在車輛正常振動和沖擊環(huán)境下承受振動沖擊的能力，對原型支架進行了強度計算和振動沖擊試驗。原型支架經(jīng)計算滿足靜強度要求，但卻未能通過振動沖擊試驗，在試驗過程中發(fā)生了斷裂。

為分析原型支架發(fā)生斷裂的原因，并對其結構進行改進設計，在改進設計階段對其進行動力學特性的預測和仿真分析。HyperWorks作為高效的CAE軟件工具集前后處理與求解器于一體，功能全面、操作便捷。因此，利用HyperWorks工具對原型支架進行了模態(tài)分析，并進一步討論了原形支架結構的改進途徑。經(jīng)綜合考慮之后，對原型支架進行了改進設計，并再次對改進的支架進行計算分析和試驗驗證，使之最終滿足設計要求。

1 原型支架的模態(tài)分析

1.1 模型的建立

原ATC天線支架主要由ATC天線安裝支架、輪緣潤滑器噴嘴安裝板和筋板等3個部分組成，如圖1所示。

圖1 原型ATC天線支架的幾何模型

使用CAD（計算機輔助設計）軟件CATIA工具創(chuàng)建ATC天線支架幾何模型，然后將幾何模型導入HyperMesh工具進行幾何清理，最后采用四面體單元對模型進行網(wǎng)格劃分，從而對ATC天線支架建立了有限元模型。圖2為建立的原型支架有限元計算模型，其模型結點數(shù)為37 922個，單元數(shù)為155 748個。

1.2 ATC天線支架的材料屬性

ATC天線支架所用鋼板材料牌號為P355NL1，其材料參數(shù)如下：①屈服強度為355 MPa；②彈性模量為210GPa；③材料密度為7 850 kg／m3；④泊松比為0.3。

圖2 原型ATC天線支架的有限元計算模型

1.3 模態(tài)分析及改進設計

因天線支架通過螺栓固定于轉向架構架端部，在實際運行過程中主要承受中低頻振動，所以較低頻率的振動現(xiàn)象較為顯著，過高頻率的振動對其影響可忽略不計。因此，在天線支架上端部4個螺栓孔處設定約束，鎖定全部6個自由度，使用RADIOSS求解器對天線支架模型進行約束模態(tài)分析，采用Block Lanczos模態(tài)提取方法，僅計算前6階模態(tài)的固有頻率和相應振型。1～6階模態(tài)頻率分析結果如表1所示。

表1 原型ATC天線支架模態(tài)分析結果

根據(jù)天線支架的結構和功能特點，更關注的是其1階垂彎模態(tài)，如圖3所示。

圖3 原型ATC天線支架1階模態(tài)振型云圖

從圖3中可以看出：其1階模態(tài)主要由ATC天線安裝支架的彎曲模態(tài)組成，其中支架下端部的擺動幅度最大；支架1階垂彎模態(tài)頻率為29.1Hz，此頻率過低，并與試驗測得低階激振頻率相接近，故在運行過程中可能會發(fā)生共振，影響車輛系統(tǒng)信號的接收，甚至可能會導致支架斷裂，危及行車安全。因此，原型支架整體剛度不足，不滿足設計要求，需進行改進設計。擬定可行的設計改進方案有以下3種：

1）采用其它材料，增強支架的支持強度；

2）增加支架板厚，從而增強其整體剛度，進而改善其模態(tài)；

3）在相應振幅較大處設置補強板，改善其整體抗振性能。

經(jīng)綜合考慮材料、成本、工藝、造型及生產(chǎn)實際等各方面因素，采用上述第3種方案較為合理。因此，在ATC天線支架縱向中間位置設置了補強板。改進后的實體模型如圖4所示。

圖4 改進設計的ATC天線支架幾何模型

2 改進支架的模態(tài)分析

為具有可比性，采用和原設計方案模型相同的設置，對改進設計的模型進行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型，并對其進行約束模態(tài)分析。模態(tài)頻率分析結果如表2所示。其1階模態(tài)優(yōu)化結果如圖5所示。

表2 改進設計的天線支架約束模態(tài)分析結果

圖5 改進設計的ATC天線支架1階模態(tài)振型云圖

根據(jù)模態(tài)分析結果，改進設計的天線支架模態(tài)頻率得到顯著提高，已避開低階激振頻率，而模型質量僅增加9.3%，質量增加仍在允許范圍之內。

經(jīng)試驗和裝車運行驗證，改進設計的天線支架模態(tài)性能優(yōu)異，大大提高了ATC天線支架的整體剛度，明顯改善了ATC天線支架的整體振動性能，說明此次改進設計是成功的。試驗照片如圖6所示。

圖6 改進設計的ATC天線支架振動沖擊試驗實景圖

3 結語

通過對ATC天線支架結構的有限元模態(tài)分析，找出了其發(fā)生斷裂的原因，并提出了3種設計改進方案。通過對所選改進設計方案的進一步分析對比，證明所選改進設計方案具有較好的剛度，是一種經(jīng)濟實用的改進方案。

在結構選型和設計過程中應用CAE技術可較早地預測結構動態(tài)特性設計的不足，為設計師進行結構優(yōu)化設計提供依據(jù)，并指明了改進的方向，從而可在設計之初對結構進行改進，減少了后期設計難度，因而可縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，提高設計可靠性。

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