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，在試驗過程中發生了斷裂。

為分析原型支架發生斷裂的原因，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分析，并進一步討論了原形支架結構的改進途徑。經綜合考慮之后，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，其模型結點數為37 922個，單元數為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分析，采用Block Lanczos模態提取方法，僅計算前6階模態的固有頻率和相應振型。1～6階模態頻率分析結果如表1所示。

表1 原型ATC天線支架模態分析結果

根據天線支架的結構和功能特點，更關注的是其1階垂彎模態，如圖3所示。

圖3 原型ATC天線支架1階模態振型云圖

從圖3中可以看出：其1階模態主要由ATC天線安裝支架的彎曲模態組成，其中支架下端部的擺動幅度最大；支架1階垂彎模態頻率為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生共振，影響車輛系統信號的接收，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；

3）在相應振幅較大處設置補強板，改善其整體抗振性能。

經綜合考慮材料、成本、工藝、造型及生產實際等各方面因素，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格劃分，建立有限元模型，并對其進行約束模態分析。模態頻率分析結果如表2所示。其1階模態優化結果如圖5所示。

表2 改進設計的天線支架約束模態分析結果

圖5 改進設計的ATC天線支架1階模態振型云圖

根據模態分析結果，改進設計的天線支架模態頻率得到顯著提高，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。

經試驗和裝車運行驗證，改進設計的天線支架模態性能優異，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分析，找出了其發生斷裂的原因，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特性設計的不足，為設計師進行結構優化設計提供依據，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，因而可縮短產品研發周期，提高設計可靠性。

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