機(jī)車變流柜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及振動(dòng)仿真分析

李 瀚

（株洲時(shí)菱交通設(shè)備有限公司，株洲412000）

引言

軌道交通產(chǎn)品對安全性、可靠性要求很高，同時(shí)又要求輕量化設(shè)計(jì)降低能耗。故在變流柜的設(shè)計(jì)中，如何設(shè)計(jì)強(qiáng)度合適、重量輕，同時(shí)又不會(huì)導(dǎo)致成本過高的產(chǎn)品成為主要問題。近年來，隨著有限元分析的廣泛應(yīng)用，利用有限元法對柜體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)分析，并對結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行評價(jià)，了解柜體可能會(huì)有的應(yīng)力和變形的情況。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行柜體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)列車變流柜的安全性是非常必要的。

1 有限元分析概述

在數(shù)學(xué)術(shù)語中，F(xiàn)EA也稱之為有限單元法，是一種求解關(guān)于場問題的一系列偏微分方程的數(shù)值方法。這種類型的問題涉及許多工程學(xué)科，如機(jī)械設(shè)計(jì)、聲學(xué)、電磁學(xué)、巖土力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)等。在機(jī)械工程中，有限元分析被廣泛地應(yīng)用在結(jié)構(gòu)、振動(dòng)和傳熱問題上。

所有FEA的第一步總是相同的，都是從幾何模型開始。在本文中即為SlidWorks的零件和裝配體，給這些模型分配材料屬性，定義載荷和約束，再使用數(shù)值近似方法將模型離散化以便分析。

2 變流柜的組成與結(jié)構(gòu)分析

變流柜由內(nèi)部模塊、安裝吊耳、承重梁、覆蓋板、門蓋等零部件構(gòu)成。變流柜整體安裝在列車車體底架上。本文研究鋼焊接式變流柜，該種柜體以吊耳吊裝于車體下方，主要受力在吊耳及上方梁壁上，同時(shí)，為保證箱體合理的剛性，不讓內(nèi)部電器部件產(chǎn)生共振，故內(nèi)部模塊安裝梁與吊耳間的剛度需保證，所以柜體框架的應(yīng)力狀況復(fù)雜，對于頂蓋板、底蓋蓋板及門蓋由于不是承力部件，所受載荷小。

2.1 變流柜的建模準(zhǔn)備

在建立柜體結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型時(shí)，為避免使問題變得過于復(fù)雜，應(yīng)在盡可能如實(shí)反映柜體結(jié)構(gòu)主要力學(xué)特征的前提下，對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

2.1.1 簡化模型

在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，根據(jù)柜體的結(jié)構(gòu)和承載特點(diǎn)作以下簡化：

（1）略去某些非承載構(gòu)件及覆蓋件，如接頭、密封槽、掛鉤及一些承載較小的鏈接桿和支撐件等；

（2）由于柜體內(nèi)部的模塊都可獨(dú)立拆卸，故在分析時(shí)，可以將各模塊簡化成為節(jié)點(diǎn)；

（3）將柜體中的一些復(fù)雜孔、邊角進(jìn)行簡化處理或去除，對一些直角邊等進(jìn)行過渡處理；

（4）將柜體簡化為空間框架結(jié)構(gòu)，忽略柜體蒙皮對柜體總體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度的加強(qiáng)作用，從而使計(jì)算結(jié)果偏安全。

2.1.2 材料屬性和常數(shù)的設(shè)定

因?yàn)樽兞鞴竦墓耋w為薄壁鈑金結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行數(shù)學(xué)建模時(shí)，可以使用殼單元進(jìn)行分析，由于柜體體積較大，為減少計(jì)算時(shí)間，可使用一階三角形殼單元進(jìn)行初步分析，再用二階三角形殼單元對局部進(jìn)行詳細(xì)分析。

柜體所用的材料為Q235鋼和Q195鋼，定義好材料的彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度等信息。

2.1.3 網(wǎng)格生成

劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)該考慮網(wǎng)格的大小，網(wǎng)格分得越細(xì)，所計(jì)算的結(jié)果誤差越小，但需花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，無限細(xì)分網(wǎng)格涉及到收斂性問題，所以不宜無限細(xì)分網(wǎng)格?？刹捎貌煌牟呗詠砜刂凭W(wǎng)格，比如在應(yīng)力快速變化的區(qū)域使用小網(wǎng)格，而在變化小的區(qū)域使用大網(wǎng)格。

2.1.4 載荷處理

整個(gè)變流柜吊裝在列車下。內(nèi)部各模塊只作為載荷分配在相關(guān)節(jié)點(diǎn)上。柜體承受的載荷主要是2個(gè)功率模塊、接觸器單元、控制單元、電容組件等。

2.1.5 接觸條件處理

對于變流柜這樣的鋼焊接柜體，在整體分析時(shí)可使用整體接合接觸來定義零部件之間相互連接的方式。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析考慮預(yù)應(yīng)力情況，及列車在靜止或勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于自身的質(zhì)量而存在的應(yīng)力，此處的預(yù)應(yīng)力分析實(shí)際就是柜體的靜力分析。對結(jié)構(gòu)靜力分析，旨在計(jì)算結(jié)構(gòu)在最大載荷作用下的變形與應(yīng)力，以便進(jìn)行強(qiáng)度與剛度的檢驗(yàn)。因此，應(yīng)對柜體可能承受的最大載荷進(jìn)行分析。通過用Solidworks Simulation進(jìn)行計(jì)算表明，柜體的靜應(yīng)力最大為88.6MPa，有3倍左右的余量，故可考慮適當(dāng)降低過剩余量。

3 柜體骨架結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)分析

列車在行駛過程中由于軌道上的接口及表面的凹凸，使得車輛產(chǎn)生垂直方向的位移變化，軌道的不平整是隨機(jī)的，它對列車產(chǎn)生隨機(jī)激勵(lì)。如果這種激勵(lì)過大的話，必將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞，因此進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析是有必要的。

3.1 分析過程

3.1.1 列舉自然頻率

用Solidworks Simulation的頻率對柜體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，只列舉了15個(gè)共振頻率，使用FFEPlus解算器。

3.1.2 加載PSD加速度

根據(jù)IEC61373-1999的要求，查詢柜體將經(jīng)受的加速度譜密度ASD。加速度頻譜密度ASD就是隨機(jī)振動(dòng)的功率頻譜密度PSD。根據(jù)共振頻率列舉結(jié)果，加載頻率范圍為1～40Hz，體現(xiàn)柜體典型材料在特定范圍內(nèi)經(jīng)受加速振動(dòng)。在全局Z方向指定[統(tǒng)一基準(zhǔn)激發(fā)]。在類型中選擇[加速度]，指定單位為。輸入指定的加速度PSD曲線數(shù)據(jù)。

3.1.3 設(shè)置阻尼

通常情況下，指定的輸入PSD值或總體水平的輸入信號根據(jù)分貝的單位增加或減少。新的數(shù)值由以下公式計(jì)算：

如果PSD曲線的單位為時(shí)，新的數(shù)值=老的數(shù)值；如果輸入信號的總體水平的單位為GRMS時(shí)，新的數(shù)值=老的數(shù)值。

其中，代表PSD曲線數(shù)值或總體水平在分貝單位下的增加或減小量。

對所有15個(gè)模態(tài)指定模態(tài)阻尼為0.025。

由于期望輸出量的極值出現(xiàn)在自然頻率的位置，因此只需要存儲(chǔ)這些位置的完整數(shù)據(jù)。

3.1.4 RMS結(jié)果

均方根（RMS）結(jié)果提供了輸出幅值（來自位移、速度、加速度、應(yīng)力等）的等級信息。假定平均值m=0，RMS直接等于輸出量的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（1σ）。

完成最終位移、速度及加速度的RMS計(jì)算后，必須將這些值與用戶的規(guī)格進(jìn)行對比，以決定是否通過或否決柜體的設(shè)計(jì)。注意：位移和速度最大值出現(xiàn)的位置不同于最大加速度出現(xiàn)的位置。

3.1.5 PSD結(jié)果

PSD結(jié)果給出了輸出的頻率特征信息，PSD并不會(huì)提供位移、速度、加速度和應(yīng)力的真實(shí)水平（RMS數(shù)值）的信息。PSD是一個(gè)基于頻率的數(shù)量。對應(yīng)位置的數(shù)值顯示了每個(gè)頻率如何對應(yīng)合加速度的輸出。

Solidworks Simulation中可通過選取設(shè)定位置點(diǎn)查看PSD結(jié)果及RMS結(jié)果，通過結(jié)果分析可以找出柜體中顯著的共振點(diǎn)，從而可對相應(yīng)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，達(dá)到改善設(shè)計(jì)的目的。

4 結(jié)論

本文以機(jī)車變流柜為對象，運(yùn)用Solidworks一系列插件功能建立了變流柜的仿真模型，對變流柜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、頻率特性及隨機(jī)振動(dòng)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，仿真分析可以在設(shè)計(jì)初期有效的驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果，為設(shè)計(jì)人員提供方案對比手段，能夠有效的提高設(shè)計(jì)可靠性。對縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本具有極大的應(yīng)用價(jià)值。