某型動(dòng)力機(jī)車(chē)牽引變流柜的優(yōu)化設(shè)計(jì)

賈金生， 馬思群， 孫彥彬， 馬瑞， 霍洪升， 賈博元

（1.大連交通大學(xué) 機(jī)車(chē)車(chē)輛工程學(xué)院，遼寧 大連116028；2.大連工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)與信息工程學(xué)院，遼寧 大連116400；3. 大連科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116052）

0 引 言

牽引變流柜作為機(jī)車(chē)上主要的電氣裝備，內(nèi)部裝有大量電器元件，機(jī)車(chē)在高速運(yùn)行時(shí)極易產(chǎn)生振動(dòng)，可能影響電器設(shè)備的正常工作，甚至?xí)绊懥熊?chē)的運(yùn)行安全。故在牽引變流柜的設(shè)計(jì)中，如何設(shè)計(jì)在保證安全性和可靠性的同時(shí)減輕自重，又不會(huì)致使成本過(guò)高成為主要研究課題[1]。

1 變流柜體模型的建立

變流柜是采用鉚接及內(nèi)部設(shè)備采用螺栓聯(lián)接相結(jié)合的框架結(jié)構(gòu)形式，采用不銹鋼材料，厚度全部在10 mm以下。根據(jù)企業(yè)提供的實(shí)體圖與二維圖樣，在SolidWorks三維建模軟件中直接建立變流柜的實(shí)體模型，將建立好的模型文件生成iges格式，導(dǎo)入功能強(qiáng)大的有限元分析軟件Hypermesh中，對(duì)其進(jìn)行離散，完成網(wǎng)格劃分。

建模時(shí)采用剛性單元模擬鉚接和螺栓聯(lián)接，其內(nèi)部電器元件采用質(zhì)量單元Mass21進(jìn)行模擬，變流柜整體采用板殼單元shell181離散，單元大小為10 mm。在牽引變流柜與車(chē)廂地板及側(cè)墻連接螺栓處分別設(shè)置3 個(gè)方向平動(dòng)自由度約束。建立的模型單元數(shù)為267 397個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為268 852個(gè)，總質(zhì)量為659.1 kg，有限元模型如圖1所示。

2 靜強(qiáng)度分析

2.1 建立工況

根據(jù)BSEN12663-1-2010《鐵道車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)要求》的標(biāo)準(zhǔn)[2]，牽引變流柜受慣性力對(duì)其施加超常載荷工況，加載方式：在縱向施加±3g、橫向±1g、垂向（1±c）g等三向加速度，其中c按設(shè)備位置取1，g取9.81 m/s2。超常載荷工況計(jì)算如表1所示。

圖1 牽引變流柜有限元模型

3 Optistruct軟件的優(yōu)化方法

4 牽引變流柜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 牽引變流柜優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

牽引變流柜有限元模型基本由板殼單元構(gòu)成，以變流柜的板殼結(jié)構(gòu)的板厚為設(shè)計(jì)變量，最大應(yīng)力為約束條件，變流柜的總質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用Optistruct軟件對(duì)牽引變流柜的板厚進(jìn)行尺寸優(yōu)化。

式（5）表明，尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量共10個(gè)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇應(yīng)力值180 MPa作為約束條件。牽引變流柜優(yōu)化時(shí)各設(shè)計(jì)變量初始值及其變化范圍如表3所示。

4.2 變流柜尺寸優(yōu)化結(jié)果分析

考慮到實(shí)際制造過(guò)程中板材的厚度不可能為眾多的零散非整數(shù)，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化數(shù)值進(jìn)行圓整，查找《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取標(biāo)準(zhǔn)值，圓整結(jié)果如表4所示。優(yōu)化前后應(yīng)力值見(jiàn)表5。

表3 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量初始值及其變化范圍

表4 設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化后結(jié)果

表5 應(yīng)力優(yōu)化前后變化值

根據(jù)表4、表5可知，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)變量數(shù)值與優(yōu)化前相比有所下降，4種工況下的最大應(yīng)力值均有上升，但均小于材料屈服強(qiáng)度，柜體應(yīng)力分布更加均勻。優(yōu)化后自重為584.9 kg,質(zhì)量降低11.26%，達(dá)到了輕量化的目的。

4.3 優(yōu)化前后模態(tài)對(duì)比結(jié)果分析

模態(tài)為結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性。結(jié)構(gòu)每一階模態(tài)由固有頻率、阻尼比和振型組成。模態(tài)分析的微分方程可參考文獻(xiàn)[6]，本文不作贅述。

計(jì)算中采用ANSYS支持的Block Lanczos算法，對(duì)牽引變流柜體的模態(tài)進(jìn)行分析，低階振型對(duì)構(gòu)件的振動(dòng)特性影響顯著。故提取變流柜前6階低階模態(tài)，得到相應(yīng)的固有頻率及振型。由于篇幅有限，只截取了優(yōu)化前后第1階模態(tài)云圖，如圖4、圖5所示，優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的固有頻率結(jié)果如表6所示。

根據(jù)表6的對(duì)比分析結(jié)果顯示，優(yōu)化后的各階模態(tài)均大于10 Hz，且沒(méi)有20 Hz的模態(tài)出現(xiàn)，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，且固有頻率變化率不大。

5 結(jié) 論

牽引變流柜經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，使其質(zhì)量下降11.26%，達(dá)到了輕量化的目的。

圖4 優(yōu)化前第一階模態(tài)

圖5 優(yōu)化后第一階模態(tài)

表6 優(yōu)化前后固有頻率對(duì)比

優(yōu)化設(shè)計(jì)后,應(yīng)力分布更加均勻, 側(cè)板、蓋板、橫梁等在優(yōu)化前應(yīng)力分布較小,材料特性并沒(méi)有得到充分利用,優(yōu)化后應(yīng)力分布增大,相應(yīng)的板厚隨之降低,依然滿足強(qiáng)度要求,在各個(gè)板厚變化的情況下，優(yōu)化后的模態(tài)的數(shù)值均大于10 Hz，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求。

牽引變流柜通過(guò)尺寸優(yōu)化減重明顯，說(shuō)明尺寸優(yōu)化是輕量化設(shè)計(jì)中一種有效的優(yōu)化方法，本文研究?jī)?nèi)容可以為其它相關(guān)工業(yè)產(chǎn)品的輕量化、經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)提供一定的參考。