金 煒，黃磊杰，汪 偉

（1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 北京交通大學 交通運輸學院，北京100044；3 西安鐵路局 機務處，陜西西安710054）

單輔變流器是CIT400動車組上重要的大型電氣設備，其內(nèi)部安裝了大量的電器元件，結構復雜且自重較大，隨著動車組運營的速度不斷提高，作為電器部件的載體輔助變流器的箱體顯得非常重要，一方面要保證變流器能夠安全的安裝在動車組上，另一方面要保證箱體內(nèi)的電器部件能夠正常安裝，并提供正常的工作環(huán)境，因此對箱體結構的分析是單輔變流器設計的重要組成部分，本文應用有限元方法對單輔變流器箱體進行了靜強度分析和模態(tài)分析，通過靜強度分析得到箱體在承載時的應力分布，完成了對箱體設計方案的強度校核，通過模態(tài)分析得到箱體的動態(tài)特性，對箱體的固有振動特性進行全面的了解，為后續(xù)的實際運用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 單輔變流器箱體有限元模型的建立

1.1 單輔變流器箱體概況

按照設計需求單輔變流器安裝在CIT400動車組車體內(nèi)部，變流器通過箱體底部四角的安裝結構與動車組車體相連，變流器箱體與動車組車體間設有橡膠減振器，單輔變流器在工作環(huán)境中主要承受振動載荷，隨動車組車體振動而振動。單輔變流器質(zhì)量為1 400 kg，箱體主要由梁結構和鈑金結構組成，梁結構為箱體的主要承力結構，由截面為80 mm×80 mm×4 mm、80 mm×40 mm×3 mm的矩形管型材和5 mm板材組成，鈑金結構為箱體的輔助承力、連接和電器件安裝結構，主要為2～3 mm的薄板材料組成，單輔變流器箱體材料特性見表1。

表1 單輔變流器箱體材料特性

1.2 有限元分析載荷工況

單輔變流器箱體屬于動車組車上安裝的大型電器設備，目前鐵路上所有需要裝車使用的設備均需要進行符合標準的振動沖擊試驗，主要依據(jù)標準TB／T 3058－2002《鐵路應用 機車車輛設備 沖擊和振動試驗》，其振動試驗參數(shù)等同于GB／T 21563－2008《軌道交通 機車車輛設備 沖擊和振動試驗》和IEC 61373－1999的相關技術要求。按照標準要求設備需要進行3個方向的振動沖擊試驗，設備在沖擊載荷作用下，機械結構要求保持完好不得發(fā)生破壞，因此將沖擊載荷作為變流器箱體強度仿真的計算載荷，按照標準規(guī)定單輔變流器屬于車體1類A級安裝，具體載荷見表2，施加載荷方向及變流器箱體約束見圖1。

表2 單輔變流器箱體強度仿真計算載荷［1－2］ m·s－2

圖1 單輔變流器箱體有限元計算約束及施加載荷方向

1.3 有限元分析模型建立

單輔變流器箱體的三維實體建模采用Solid works軟件，有限元計算建模采用Solid works／COSMOS軟件，Solid works／COSMOS軟件集成了靜態(tài)應力分析、頻率分析、熱分析和疲勞分析的計算模塊，這樣可以做到箱體的有限元分析與三維實體建模無縫連接，減少了三維建模與有限元分析之間連接問題，使工程人員能夠快速的解決實際工程問題。單輔變流器箱體主要由鈑金件和矩形管型材組成，均屬于由單一材料構成的薄壁零件，因此在建立有限元模型的時候主要以板殼單元為主，箱體的吊座結構及少數(shù)零件采用實體單元，單輔變流器箱體有限元網(wǎng)格劃分見圖2，有限元計算節(jié)點數(shù)量213 830個，單元數(shù)量104 365個。

圖2 CIT400動車組單輔變流器箱體強度計算有限元網(wǎng)格圖

2 單輔變流器箱體靜強度分析

靜強度分析主要得到箱體在承受靜態(tài)載荷作用時的應力分布，在計算分析中基于箱體的結構及其內(nèi)部元器件的布置重點關注兩種位置，一類是結構上非常重要的位置，比如機箱吊座區(qū)域、功率模塊安裝區(qū)域、變壓器安裝區(qū)域等，機箱吊座承擔著整個單輔變流器的總重，是變流器能夠安全運行的基礎，變壓器和功率模塊是單輔變流器箱體內(nèi)最重要的電器部件，其安裝位置分別在箱體的中部和端部；另一類是計算分析中的應力集中區(qū)域，比如鈑金件組焊位置，由于鈑金件比較薄，結合位置結構復雜且相對薄弱，箱體重要結構的靜強度計算結果見表3，縱向、橫向、垂向的仿真計算云圖見圖3～圖4。

表3 單輔變流器箱體靜強度分析結果 MPa

圖3 CIT400動車組單輔變流器箱體靜強度垂向仿真分析結果

圖4 CIT400動車組單輔變流器箱體靜強度縱向、橫向仿真分析結果

單輔變流器垂向工況計算結果應力最大值為97.7 MPa，發(fā)生在變壓器安裝結構區(qū)域，該位置區(qū)域材料為Q345E；縱向工況計算結果應力最大值為167.3 MPa，發(fā)生在功率模塊安裝橫梁與風道安裝隔板的連接區(qū)域，該位置區(qū)域材料為Q345E和09Cu PCr Ni－A；橫向工況計算結果應力最大值為150.8 MPa，發(fā)生在功率模塊安裝橫梁與箱體主結構連接位置的三角支撐板區(qū)域，該位置區(qū)域材料為Q345E和09Cu PCr Ni－A。由各工況計算結果箱體結構應力均未超過相應材料的屈服極限，符合TB／T 1335－1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》中對靜強度的要求，由表3數(shù)據(jù)箱體吊座結構的應力在各種工況下的應力均較小，遠低于材料的屈服極限，表明箱體吊座結構具有足夠的安全裕量。

3 單輔變流器箱體模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結構動力特性的重要方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領域中的應用，其目的是識別系統(tǒng)的固有振動特性，為結構系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優(yōu)化設計提供依據(jù)。模態(tài)是機械結構的固有振動特性，每一個模態(tài)對應著系統(tǒng)一個特定的自振頻率、阻尼比和模態(tài)振型，動車組在線路上的運用工況復雜，周圍的激擾多種多樣，不同的激擾對變流器的影響是不同的，鑒于變流器的安裝方式和重要性，對變流器箱體固有頻率進行深入研究是非常必要的，通過模態(tài)分析確定變流器箱體的固有振動頻率，在實際應用中避免共振對變流器箱體產(chǎn)生的不利影響。

對于鐵路車輛及其設備附件在模態(tài)方面有相關的標準要求，單輔變流器安裝在動車組車體內(nèi)部，按照《200 km／h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規(guī)定》，整備狀態(tài)下的車體最低彎曲自振頻率不低于10 Hz［3］，整備狀態(tài)下車體的質(zhì)量要比車體鋼結構增加很多，所以車體鋼結構的一階垂向彎曲固有頻率比整備狀態(tài)下的車體一階垂向彎曲頻率要高30%（即為14 Hz左右）［4］；在EN 12663《鐵路應用－鐵道車輛車體結構要求》中，要求在裝配和所有運用條件下，設備附件振動基本模態(tài)應與車體結構和懸掛振動模態(tài)充分隔離或衰減，以避免出現(xiàn)不良的響應［5］，即車體上安裝設備的振動模態(tài)應當避開車體的自振模態(tài)。同時在TB／T 3058的振動沖擊試驗中對參試設備的試驗頻率范圍有具體要求，CIT400單輔變流器質(zhì)量1 400 kg，需要進行考核的頻率范圍在2～60 Hz［1］，因此在箱體模態(tài)分析中應當重點關注60 Hz內(nèi)的箱體模態(tài)，模態(tài)分析結果見表4，箱體模態(tài)振型見圖5～圖8。

表4 單輔變流器箱體模態(tài)分析結果

圖5 箱體整體模態(tài)：1階扭曲模態(tài)

圖6 箱體整體模態(tài)：1階彎曲模態(tài)

圖7 箱體局部模態(tài)：功率模塊艙頂板、底板1階模態(tài)

圖8 箱體局部模態(tài)：A 1、A3板電器艙隔板1階模態(tài)

從模態(tài)分析結果來看，可以將單輔變流器箱體的模態(tài)振型劃分為整體模態(tài)和局部模態(tài)，單輔變流器箱體是由梁結構和鈑金結構組成，梁結構發(fā)生共振的振型做為箱體的整體模態(tài)需要進行重點關注，箱體的1階整體模態(tài)為扭曲模態(tài)，模態(tài)頻率為39.0 Hz，該頻率遠離相關標準對車體要求的自振頻率，由于箱體在安裝到車體上時四角需要固定，因此實際應用中扭曲模態(tài)的效果將被有效的抑制，其他箱體的整體模態(tài)均較高超過了60 Hz，說明單輔變流器箱體的整體剛度是有足夠裕量的；鈑金結構發(fā)生共振的振型作為箱體的局部模態(tài)，箱體結構中具有多個鈑金結構，作為薄板容易發(fā)生共振，箱體1階局部模態(tài)頻率為23.5 Hz，是箱體功率模塊艙頂板、底板的振動模態(tài)，此處位置的薄板只在板四邊與箱體進行固接，薄板面積較大，在整個計算過程中該處結構出現(xiàn)了多階的振動模態(tài)，在實際應用中如有需要可以通過增加輔助結構來提高薄板的共振頻率，即提高薄板結構的抗振性能。

4 結束語

對CIT400動車組單輔變流器箱體進行有限元分析，通過靜強度分析完成了對箱體的強度校核，得到了箱體的相關應力分布，分析結果箱體的強度符合相關標準的技術要求，滿足實際運用的需求；通過模態(tài)分析得到了箱體的固有振動特性，箱體的整體模態(tài)頻率和局部模態(tài)頻率遠離標準對車體的自振頻率要求，箱體具有足夠的剛度且做到了與車體自振頻率的隔離。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB／T 3058鐵路應用 機車車輛設備 沖擊和振動試驗［S］.北京：中國鐵道出版社，2002.

［2］中國國家標準化管理委員會.GB／T 21563軌道交通 機車車輛設備 沖擊和振動試驗［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［3］中華人民共和國鐵道部科技教育司.200 km／h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規(guī)定［S］.北京，2001.

［4］吳 燕，楊國楨.準高速客車車體動態(tài)特性的設計要求［J］.鐵道車輛，1992，（11）：1－5.

［5］European committee for standardization.EN 12663 Rail way application－Structural requirements of rail way vehicle bodies［S］.2000.