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基于Workbench的地铁CSB接触器安装座裂纹分析及优化论文

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  关键词:模态分析,随机振动,裂纹,有限元分析

  0引言

基于Workbench的地铁CSB接触器安装座裂纹分析及优化论文

  随着轨道交通的技术发展,车辆振动问题引起的相关问题越来越突显,如导致车辆部件脱落和疲劳失效,运行平稳性和乘坐舒适度降低,甚至威胁行车安全[1]。地铁列车运行时由于轮轨接触关系等因素会引起车辆在运行时出现随机振动,引起车辆部件结构的可靠性逐渐下降,甚至出现疲劳破坏等结构失效问题[2-3]。

  模态分析可以用来分析结构的振动特性,通过计算固有频率及振型来判断结构的振动性能,从而避免在工作中因共振现象而引起部件失效[4-5]。随机振动分析可以用来计算结构在随机振动激励下的振动响应,从而达到设计可靠的目的[6]。徐涛等[7]通过随机振动分析对车辆低压箱疲劳寿命进行分析。姚竖等[8]基于随机振动响应对轴端发电机安装结构开展优化设计。呼斯乐图等[9]基于模态分析及随机振动特性分析对飞机主动侧杆机架进行了结构优化。因此模态分析和随机振动分析是得出结构振动特性的一种较好的途径。

  某地铁CSB接触器安装座在地铁运行期间出现了结构贯穿裂纹,如图1所示。经检测,结构的材料本身无异常,初步分析原因为结构受外部振动作用,其板材焊接连接处因焊接缺陷及应力疲劳导致裂纹且扩展贯穿断裂。针对此问题,根据原安装结构尺寸也对CSB接触器安装座进行了结构优化,其侧板和底板由焊接连接改为一体折弯结构,且底板由非封闭改为四周封闭的结构,如图2所示。

  本文为充分分析CSB接触器原安装座结构裂纹出现的原因,基于Workbench有限元软件,对某地铁CSB接触器安装进行了模态分析和随机振动分析。同时为分析优化后结构的机械性能改善情况,从模态振型及结构随机振动下的应力分布情况对CSB接触器原安装座结构和优化结构进行了对比分析。

  1有限元建模

  1.1模型及材料属性

  如图3所示,CSB接触器安装结构主要由CSB接触器和其安装座两个部分组成,安装座采用板材焊接结构,通过4个螺栓固定在电气箱内部,CSB接触器则通过2个螺栓固定在安装座上,接触器质量约10 kg。本文研究的对象为CSB接触器安装座,其安装在列车悬挂电气箱内,因此整体结构在列车运行过程中仅承受列车振动影响。

  CSB接触器安装座的材料为SPCC(冷轧碳素钢薄板),相当于国内Q195-215A。为进一步确定材料的性能,根据材料成分检验结果,表明其材料属性接近Q215材料。因此本次分析采用Q215材料进行模拟分析,其材料参数如表1所示。

  1.2网格划分

  根据CSB接触器原结构和优化后结构的实际尺寸,建立几何模型并采用HyperMesh进行网格划分,其网格模型如图4所示。为了提高计算精度,CSB接触器安装座的网格采用了结构化网格划分方式,网格形式为六面体网格,网格划分时保证所有焊接板件的网格节点都一一对应。同时为提高计算速度,且由于接触器本身不是本次分析的对象,因此只对接触器本身的网格进行初略划分。

  1.3载荷边界条件

  本次分析采用Workbench对结构进行有限元分析。

  根据CSB接触器安装实际结构,安装座底板通过4颗螺栓固定在电气箱内,接触器通过2颗螺栓固定在安装座上,其他电缆连接等柔性接触影响忽略不计,因此该结构在列车的运行中仅受到电气箱传递的振动。另外,安装座由底板、侧板和中间支撑板焊接而成,由于本次分析不考虑焊缝以及螺栓对结构的影响,可假定焊接为完美焊接,因此安装座的各焊接板块以及安装座与接触器之间的连接关系都采用绑定连接。

  2模态分析

  模态是结构固有的振动特性,每一个模态都有对应的固有频率和模态振型。模态分析是研究结构动态特性的一种方法,是计算或试验分析结构固有频率和模态振型等模态参数的过程。

  为更好地确定安装座结构的合理性,首先通过有限元方法开展了结构模态分析,得到了CSB接触器安装座优化前后结构模态振型及模态频率。通过模态分析,可以更加直观地看出安装座在各阶振动频率下的振型及各振型状态下的变形状态。表2所示为CSB接触器安装组件两种结构前6阶模态频率。

  图5和图6分别为CSB接触器安装座优化前后前六阶模态振型图,优化后的结构固有频率相较于原结构均有所提高,更加远离由轨道波磨引起振动区间(80~120 Hz)[10],更能避免引起共振现象。从图5可以看出,CSB接触器原安装座结构在前6阶模态振型下的裂纹位置处均出现不同程度应力显著增大的现象,初步可知该结构各振动频率下裂纹位置处的变形及应变都可能较大,从而导致该处容易出现结构失效。而从优化后的安装座结构的前6阶振型变形及应力分布图(见图6)可以看出,裂纹位置处的各阶模态应力相比于原结构均有较大的改善,虽然模态应力不能代表真实的应力状态,但在一定程度上也能反映出结构此时的变形及应变状态。

  通过两种结构模态分析可以看出,优化后的CSB接触器安装座相比于原结构其振动特性有所改善,且在各阶振动频率下相对于原结构裂纹位置处的变形量小,因此出现结构损伤的可能性下降。

  3随机振动分析

  随机振动是一种无法用确定的函数表达式来表达的不确定振动形式,而是通过概率统计方法来描述[11]。由于轨面的不平顺和车轮的不圆度,列车在运行时会对结构产生随机振动作用。当随机振动超过设计极限值时,会影响结构本身的稳定性和可靠性[12-14]。

  本文以《GB/T 21563—2018轨道交通机车车辆设备和振动试验》[15]中关于车体安装部件的功能测试加速度功率谱作为激励条件,通过有限元方法对结构开展了随机振动分析,得出结构在随机振动下的动力学响应,进一步分析结构的机械特性。

  图7所示为《GB/T21563—2018轨道交通机车车辆设备和振动试验》中的车体安装ASD频谱曲线图,各频段间的试验值如表3所示。

  根据GB/T 21563—2018要求,针对测试构件的质量小于500 kg时,选取5~150 Hz频率区间进行分析。通过在安装座与电气箱固定螺栓孔处施加加速度功率谱的随机振动激励,得出安装座构件在垂向、横向及纵向3个方向上的随机振动响应。

  从图8~10中可以看出原结构在3个激励方向下的应力值均小于材料的屈服强度,说明了安装座出现裂纹并非材料本身的强度不足导致,而是因为长期的振动作用导致材料内部发生疲劳损伤而出现疲劳裂纹。同时,也可以看出,原结构在横向和纵向随机振动激励下的结构最大应力基本在原结构裂纹位置区域,垂向随机振动激励下裂纹位置的应力值(40.2 MPa)也较为接近其结构应力最大值(59.9 MPa),这充分说明了该处为结构受力薄弱点,容易引起疲劳破坏,可进一步得出原结构的裂纹原因基本为长期振动下的疲劳裂纹。

  从图11~12中可以看出,除横向随机振动激励外,安装座原始结构在其他两个方向的最大应力明显大于优化后结构的应力,且两个方向随机振动下优化后结构的最大应力值分别下降了82%(纵向)和92%(垂向)。

  同时,优化结构在随机振动作用下原结构裂纹处的应力值远小于原结构该处的应力值。综上可说明优化后的结构对随机振动的应力响应改善较为明显,也可进一步得出优化结构相对于原结构具有较高的可靠性。

  4结束语

  本文利用Workbench有限元分析软件对某地铁CSB接触器安装座原结构和优化改进后的结构进行了模态分析和随机振动分析,得出了CSB接触器安装座优化前后结构的振动特性。从分析结果看,确定了该地铁CSB接触器安装座的原结构存在设计不足,在车辆运行中的振动条件下,其局部结构位置受力较为集中且正处于变形的较大位置。

  通过有限元分析仿真,进一步验证了裂纹原因,从受力云图和模态振型图直观地看出其裂纹位置正处于结构受力薄弱点,导致其在列车长期运行中受外部振动作用出现疲劳裂纹。同时,通过模态分析和随机振动分析下该地铁CSB接触器安装座结构优化前后的模态振型及应力可知,优化结构的振动变形量和应力相比于原结构均有显著的改善,其结构可靠性进一步提升。

  参考文献:

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  [15]轨道交通机车车辆设备和振动试验:GB/T 21563—2018[S].

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