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1、AC4000 微机控制柜有限元强度及模态分析微机控制柜有限元强度及模态分析 株洲电力机车研究所机械开发部 刘宇奇 龚志强 何昊 摘 要摘 要 本文介绍了我部门利用 I-DEAS 软件对 AC4000交直交电力机车中央微机控制柜柜体所进行的结构强度和振动模态的分析过程为中央微机控制柜结构设计的改进和优化提供参考依据 关键词关键词 有限元 结构强度 振动模态 微机控制柜 1前言前言 AC4000 中央微机控制柜是 AC4000 交直交电力机车的重要部件 由于内部安装着各种重要的电子元件其结构强度和振动模态对内部电子元件性能的影响至关重要为了检验该机柜在强度以及模态方面的可靠性我们在 NT 工作站上
2、利用 I-DEAS 软件对其进行了结构强度和振动模态的有限元分析为该结构的稳定性和可靠性提供了重要的设计依据 2 2柜体结构简介柜体结构简介 AC4000 中央微机控制柜柜体的骨架由各种形状的梁焊接而成所有的梁全部采用 2mm 厚的Q235A 热轧钢板弯制而成为了组焊牢靠在梁的两端开有各种缺口导致梁结构变化较大柜体内部悬挂一个重 12kg 的 4U 插箱一个重 15kg 的 7U 插箱和一个重 5kg 的网关并焊接有各种附件机柜外壳由 1.5mmQ235A 热轧钢板点焊封装而成 Q235A 热轧钢板的材料属性为许用应力=161Mpa材料密度为 7.8103Kg/m3弹性模量为 206.9GPa
3、泊松比为 0.3 图 1柜体结构图 1 3 3工况的确定和边界条件处理工况的确定和边界条件处理 由于该机柜的外壳全部由钢板点焊而成因此外壳对提高机柜整体结构强度的作用不太大在作结构强度分析时我们重点考虑机柜骨架本身的结构强度根据该微机控制柜的实际工况并参照 TB/T1335-996铁道车辆强度设计及试验鉴定规范我们确定了三种计算工况静载工况吊装工况和制动工况对构架采取整体计算下面对各种工况及其相应的边界条件做出说明 3 31 1静载工况及其边界条件 静载工况及其边界条件 7U 插箱安装于中梁和右梁4U 插箱安装于中梁和右梁网关安装于左梁和右梁计算出左梁承受 2.5kg 垂直载荷中梁承受 16k
4、g 垂直载荷右梁承受 13.5kg 垂直载荷这些载荷垂直分布于梁的安装面上 其他附加装置如门结构包装面板等重量约为 11.5KG考虑到这些诸多的附件的自重载荷不能方便的施加到机柜骨架上因此在考虑机柜骨架的自重时根据计算将重力加速度的值放大一半取 15m/s2以模拟机柜骨架的真实受力情况 限制机柜底部四个安装孔的六个自由度以模拟其安装的情况 3 32 2吊装工况及其边界条件吊装工况及其边界条件 机柜在吊装时附加了一个重量为 150KG 的箱体连同机柜本身一起吊装各采用箱体和机柜顶部的两个吊装螺钉经计算箱体的一半的自重将施加于机柜的前侧安装垫块每个安装垫块承受 37.5kg 垂直载荷 梁的受力情况
5、与静载工况相同左梁承受 2.5kg 垂直载荷中梁承受 16kg 垂直载荷右梁承受 13.5kg 垂直载荷这些载荷均垂直分布于梁的安装面上在考虑机柜骨架的自重时仍取重力加速度值为 15m/s2 限制机柜顶部四个吊装孔的六个自由度以模拟其吊装的情况 3 33 3制动工况及其边界条件制动工况及其边界条件 制动时水平加速度取 2m/s,并考虑在运行过程中垂直方向振动因素的影响取垂直加速度为2g,即为 20m/S2 同时将 7U 插箱4U 插箱和网关的垂直作用载荷放大一倍并计算出制动过程中 7U 插箱4U 插箱和网关对梁所施加的水平方向载荷 计算出左梁承受 5kg 垂直载荷0.5kg 水平载荷中梁承受
6、32kg 垂直载荷3.2kg 水平载荷右梁承受 27kg 垂直载荷2.7kg 水平载荷 限制机柜底部四个安装孔的六个自由度以模拟其安装的情况 4 4力学模型建立及网格划分力学模型建立及网格划分 为了较为准确的了解机柜骨架的受力状态采取了用壳单元方式来模拟同时为了尽量减小工作量但又不失去计算的精度我们根据该机柜的特点在构建其壳单元简化模型时忽略了各种螺纹安装孔以及一些小的焊接附件 共划分了 8858 个节点8397 个单元 2 图 2 柜体骨架壳单元简化模型 5 5 结构强度分析 结构强度分析 5 51 1静载工况静载工况 在该工况下采用第四强度理论计算的应力(Von mises 应力)分布如图
7、 3 所示在左梁根部安装孔位置的应力出现最大应力值为 9.7Mpa三根安装梁根部的应力值在 5Mpa 左右波动其他梁的应力值都很小且应力分布较为均匀在位移方面0.11mm 的最大位移出现在机柜底部前梁中部位置机柜顶部前梁的后侧的最大位移约为 0.05mm 图 3 静载工况下机柜骨架的应力分布图 3 5 52 2吊装工况吊装工况 在该工况下采用第四强度理论计算的应力(Von mises 应力)分布如图 4 所示在左梁根部安装孔位置的应力出现最大应力值为 30.4Mpa三根安装梁根部的应力值在 14Mpa 左右波动其他梁的应力值仍很小且应力分布均匀在位移方面0.126mm 的最大位移出现在机柜底部
8、前梁靠右的位置机柜顶部前梁的后侧的最大位移约为 0.08mm 图 4 吊装工况下机柜骨架的应力分布图 5 53 3制动工况制动工况 在该工况下采用第四强度理论计算的应力(Von mises 应力)分布如图 5 所示在左梁根部安装孔位置的应力出现最大应力值为 17.7Mpa三根安装梁根部的应力值在 8Mpa 左右波动其他梁的应力值仍很小且应力分布均匀在位移方面0.156mm 的最大位移出现在机柜底部前梁中部的位置机柜顶部前梁的后侧的最大位移约为 0.1mm 6 6振动模态分析振动模态分析 通过对其振动模态的分析来深入研究机柜的动态特性从而进行合理的结构设计是该机柜设计的一个重要环节 对于一般的结
9、构振动来讲结构的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合其中较低阶的振型对结构的影响程度要高于高阶振型因此低阶振型主要决定结构的动态特性因此针对该机柜计算其前 6 阶的固有频率及振型能够较为全面的反映该机柜的动态特性 4 图 5 制动工况下机柜骨架的应力分布图 在进行模态分析时必须考虑其内部主要元件的重量和它们对系统刚性的影响因此在进行模态分析时我们对模型进行了一定的补充考虑在振动时插箱本身对提高系统的刚性起到一定的作用因此特意添加了若干辅助梁来模拟这种效果在建立边界条件时创建了 3 种不同的集中质量分别为 3KG2KG 和 0.6KG3KG 的集中质量施加于 4U 插箱的 4 个安装位2KG 的
10、集中质量施加于 7U 插箱的 8 个安装位0.7KG 的集中质量施加于网关的 8 个安装位 边界限制条件按照机柜的实际安装方式进行限制 根据振动学机柜结构的无阻尼自由振动方程为0.=+KM 其中M为机柜的质量矩阵K为机柜的刚度矩阵该式为一个二阶常系数齐次线性微分方程组其特征方程为0)(2=Mk本文利用 I-Deas 软件采用 LANCZOS 法来求解该方程得到了机柜的前六阶振动固有频率如下表所示 阶阶 次次 1 阶 2 阶 3 阶 4 阶 5 阶 6 阶 固有频率固有频率 48.3Hz 101.9Hz 119.4Hz 125.5 Hz 138.7 Hz 152.1 Hz 第一阶振型以弯曲振动为
11、主与其他部位比较机柜左侧顶部两侧的摆动幅度明显第二阶振型以弯曲振动为主主要表现在机柜前内侧的弯曲第三阶振型为弯扭组合振动机柜前侧两边扭转幅度明显第四阶振型为高阶的弯曲振动主要发生区域在机柜前侧几根梁上第五阶振型为高阶弯扭组合振动机柜前侧两根立柱扭转效果明显第六阶振型为高阶弯扭组合振动主要表现在机柜前侧两根立柱以及底部前梁上 5 图 6第一阶振型 图 7第二阶振型 图 8第三阶振型 图 9第四阶振型 图 10第五阶振型 图 11第六阶振型 54 结论结论 541 强度分析结果强度分析结果 通过对以上三种工况的分析结果可知 三种工况的最大应力值都远远小于 Q235A 热轧钢板的许用应力且机柜整体的变形都很小从安全系数的观点来看安全系数也是足够的整体机柜的极小的变形能够充分保护内部电子元件根据以上分析可知中央微机控制柜的该设计方案的结构强度完全满足设计要求 6 542 模态分析结果模态分析结果 通过以上对该机柜的模态分析可知基本振型为弯曲振动和扭转振动其一阶模态固有频率为较高的 48.3HZ其他各阶模态的振动固有频率也都较高一般情况下根据列车在实际行驶环境中的实际激振频率分布该机柜的各阶模态频率已经远离了激振频率的发生范围从而能够有效的避免共振现象的发生 7