某城軌車輛輔助電源裝置結(jié)構(gòu)強度及模態(tài)分析*

劉金鑫，劉 奎，楊春宇，魏 興，馬 龍，閆莉瑩

(1.西安中車永電捷通電氣有限公司，陜西 西安 710016； 2.中車大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116021)

0 引 言

輔助電源裝置作為城軌列車空調(diào)、換氣、照明等設(shè)備提供電能的裝置，安裝于車體底架梁上，其結(jié)構(gòu)強度及剛度特性直接影響列車的行車安全。隨著城軌車輛朝著集成化、輕量化的方向發(fā)展，對車下設(shè)備的結(jié)構(gòu)強度及剛度特性提出了更高的要求。EN12663-1:2010《鐵路應(yīng)用-鐵道車輛的結(jié)構(gòu)要求》中提出，車體及其相關(guān)車下設(shè)備在設(shè)計過程中需進行結(jié)構(gòu)強度及剛度的分析和試驗，以此確認結(jié)構(gòu)的強度及剛度特性，保證設(shè)備最終通過相關(guān)驗證。鑒于此，黃磊杰等[1]對優(yōu)化后的牽引輔助變流器的結(jié)構(gòu)靜強度和模態(tài)進行了仿真分析。周博等[2]采用EN12663-1:2010的載荷條件對逆變器的吊裝結(jié)構(gòu)進行了校核。張文威等[3]基于EN 12663 -1:2010標準對變流器的柜體結(jié)構(gòu)強度進行了分析，采用FKM標準和VDI2230準則對柜體的焊縫和螺栓進行疲勞強度校核。王艷麗等[4]從軌道客車車體靜強度分析與試驗的角度說明了EN12663-1標準的應(yīng)用范圍和對設(shè)計改進的指導(dǎo)作用，崔元虎等[5]對西安2號線永磁牽引逆變器進行了模態(tài)和靜強度分析，提出車下設(shè)備最低階固有頻率高于30 Hz時可避免與車體發(fā)生共振。

筆者以某城軌車輛輔助電源裝置為研究對象，利用EN12663-1:2010標準規(guī)定的載荷條件對建立的輔助電源裝置虛擬樣機進行結(jié)構(gòu)強度和模態(tài)仿真分析，通過實物樣機試驗對其結(jié)構(gòu)強度進行驗證，得到的研究結(jié)果可為城軌車輛輔助電源裝置及相關(guān)車下設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒。

1 輔助電源裝置結(jié)構(gòu)有限元仿真模型

1.1 輔助電源裝置結(jié)構(gòu)布局

圖1所示為輔助電源裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 輔助電源裝置結(jié)構(gòu)示意圖(頂板隱藏后視圖)

輔助電源裝置總質(zhì)量為1 487 kg，內(nèi)部主要電氣部件有功率模塊、電抗器、濾波電容、接觸器組件、濾波器、預(yù)充電組件、風機、控制單元等。箱體結(jié)構(gòu)由2 mm、3 mm、5 mm不同厚度的不銹鋼(06Cr19Ni10)鈑金件組焊形成。06Cr19Ni10的力學(xué)性能參數(shù)見表1，其中，E為彈性模量，σs為屈服強度，σb為抗拉強度，σ1為母材的疲勞強度，σ2為焊縫的疲勞強度。

表1 06Cr19Ni10力學(xué)性能參數(shù)[6] /MPa

1.2 輔助電源裝置有限元仿真模型

圖2所示為利用ANSYS WorkBench軟件建立的輔助電源裝置有限元仿真模型。箱體結(jié)構(gòu)采用10 mm殼單元進行離散，內(nèi)部電子元器件使用剛性質(zhì)量點等效，焊點采用Weld連接進行模擬。最終形成的有限元網(wǎng)格數(shù)量為183 680個，節(jié)點數(shù)為216 950個。

圖2 輔助電源裝置有限元仿真模型

2 輔助電源裝置結(jié)構(gòu)強度仿真分析

2.1 結(jié)構(gòu)靜強度仿真分析

靜強度分析的目的是為了找到結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較低的部位，以便指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計改進，同時積累主動性經(jīng)驗數(shù)據(jù)，為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考，避免重復(fù)性、普遍性的應(yīng)力問題發(fā)生。

表2所列為依據(jù)EN12663-1:2010標準規(guī)定的P-Ⅲ類設(shè)備縱向、橫向、垂向組合靜載荷工，g為重力加速度，豎直向上為正向，取值為-9.81 m/s2[7]。

表2 EN12663-1:2010中P-Ⅲ類靜載荷工況

EN12663-1:2010標準對車下設(shè)備結(jié)構(gòu)靜強度按照U=RdS/RL≤1進行校核。其中，U為利用率；Rd為計算或測試應(yīng)力值，MPa；RL為材料屈服應(yīng)力，MPa；S為屈服強度對應(yīng)安全系數(shù)，取值為1.15。

按照表2中的六種工況仿真計算后，分別得到六種靜載荷工況下各自的等效應(yīng)力最大值及利用率如表3所列。

表3 靜載荷1～6工況下最大等效應(yīng)力計算結(jié)果

由表3數(shù)據(jù)可知，六種工況中，工況5的等效應(yīng)力取值最大，其值為159.2 MPa，利用率為0.89，對應(yīng)的最大等效應(yīng)力位置見圖3。

圖3 靜載荷六種工況下最大等效應(yīng)力云圖

2.2 結(jié)構(gòu)疲勞強度仿真分析

表4所列為依據(jù)EN12663-1:2010標準規(guī)定的P-Ⅲ類設(shè)備縱向、橫向、垂向組合疲勞載荷工況。

表4 疲勞載荷工況 /g

按照表4中的八種疲勞載荷工況分別加載計算后得到輔助電源裝置的等效應(yīng)力最大值如表5所列。

由表5數(shù)據(jù)可知，八種工況中，輔助電源裝置在工況3下的疲勞應(yīng)力最大，由圖4可知，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在PU安裝孔母材處，其值為80.2 MPa，該值小于母材的疲勞應(yīng)力177 MPa。

表5 疲勞載荷1～8工況下最大應(yīng)力 /MPa

圖4 疲勞載荷八種工況下最大等效應(yīng)力云圖

通過結(jié)構(gòu)靜強度及疲勞強度仿真計算結(jié)果可知，輔助電源裝置的結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。

3 輔助電源裝置模態(tài)仿真分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)振動特性及剛度性能的重要方法，其目的是識別系統(tǒng)的固有振動特性。EN12663-1:2010要求在所有工作狀態(tài)下，車體相關(guān)附屬設(shè)備的固有振動模態(tài)應(yīng)該與車體的自振模態(tài)隔離，以避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

利用ANSYS WorkBench軟件對建立的有限元仿真模型進行模態(tài)分析,仿真計算后得到該輔助電源裝置的前6階固有頻率如表6所列。

表6 輔助電源裝置前6階固有頻率(ω0) /Hz

由表6數(shù)據(jù)可知，該輔助電源裝置的最低階固有頻率為47.4 Hz，大于設(shè)計限值30 Hz，1階模態(tài)振型如圖5所示，表現(xiàn)為PU腔室底板的垂向振動。

圖5 輔助電源裝置1階模態(tài)云圖

4 試驗驗證

為進一步驗證仿真計算結(jié)果，對輔助電源裝置實物樣機按照標準EN12663-1:2010進行樣機試驗，圖6所示為輔助電源裝置樣機試驗圖。

圖6 輔助電源裝置樣機試驗圖

試驗過程中輔助電源裝置未出現(xiàn)共振、箱體結(jié)構(gòu)的永久損傷、焊縫開裂、螺栓松脫等現(xiàn)象，試驗順利通過，由此說明了該輔助電源裝置的結(jié)構(gòu)滿足強度和剛度設(shè)計要求，同時也驗證了仿真計算結(jié)果的有效性。

5 結(jié) 語

依據(jù)EN12663-1:2010標準，采用有限元仿真的方法對輔助電源裝置進行了結(jié)構(gòu)強度和模態(tài)分析，利用實物樣機進行了驗證試驗，仿真與試驗結(jié)果表明該輔助電源裝置的強度及剛度滿足設(shè)計要求。這一研究結(jié)果為城軌車輛輔助電源裝置及相關(guān)車下設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。