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1、地铁车辆辅助变流器柜随机振动疲劳分析 摘要： 以某新型协助变流器柜为探讨对象，利用HyperMesh建立有限元模型，分别采纳IEC 6137311019标准和IEC 613732022标准中的加速度谱密度作为激励，基于频域法分析协助变流器柜在随机振动载荷作用下的响应，得到结构的von Mises应力分布。依据Miner线性疲惫累计损伤理论和高斯三区间法，估算随机振动载荷作用下协助变流器柜的疲惫寿命。结果表明：IEC 613732022標准比IEC 6137311019标准保守，从平安性上考虑，建议根据IEC 6137311019标准对协助变流器柜进行疲惫寿命分析。 关键词： 地铁； 协助变流器
2、柜； 随机振动； 频域法； 疲惫寿命 中图分类号： U27 文献标记码： B Random vibration fatigue analysis on auxiliary converter cabinet on metro vehicle DENG Yong， YU Lanfeng， DENG Xing， XIAO Zeping Abstract： Taking a new auxiliary converter cabinet as the research object and a finite element model is built by HyperMesh. Accelerat
3、ion spectral density from the IEC 6137311019 standard and the IEC 613732022 standard are used as excitation. The response of auxiliary converter cabinet under random vibration load is analyzed based on frequency domain method， and von Mises stress distribution of the structure is obtained. According
4、 to Miner linear fatigue cumulative damage theory and Gaussian three interval method， the fatigue life of auxiliary converter cabinet under random vibration load is estimated. The results show that the IEC 613732022 standard is more conservative than the IEC 6137311019 standard. It is recommended to
5、 analyze the fatigue life of auxiliary converter cabinet according to the IEC 6137311019 standard with the consideration of safety. Key words： metro； auxiliary converter cabinet； random vibration； frequency domain method； fatigue life 0 引 言 随着城市轨道交通的大力发展，地铁列车运行速度不断提高，由线路结构、空气阻力等因素引起的随机振动强度不断提高，危及车体及
6、其附属设备的强度和疲惫寿命。协助变流器是地铁车辆上至关重要的电气设备，若不能保证协助变流器柜体在冲击和振动等随机载荷作用下的疲惫性能，则会导致柜内电气元器件无法正常工作，甚至危及地铁车辆行驶平安。因此，必需对协助变流器柜进行疲惫探讨。 目前，国内外主要通过试验方法和仿真手段对振动疲惫进行评估。丁杰等12探讨频域疲惫分析方法在变流器柜体振动试验中的应用，基于不同标准内容分析动车变流器的疲惫寿命；张云等3对电子设备进行试验和仿真，证明随机振动疲惫在电子设备疲惫寿命领域的应用；王超等4采纳准静态法对协助变流器柜疲惫寿命进行仿真，找到变流器柜的薄弱环节。 本文以某新型地铁协助变流器柜作为探讨对象，在随
7、机振动条件下，基于频域法对协助变流器柜进行疲惫寿命分析，为变流器的设计和试验供应理论依据。 1 随机振动理论 在随机振动激励作用下，结构对输入的激励产生振动响应，这种振动称为随机振动。随机振动在某一时刻的状态是不确定的，但可以通过统计的方法探讨其规律。线性各态历经平稳随机振动系统5可表示为 Mx+Cx+Kx=F 式中：M、C和K分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；x、x和x分别为系统的加速度向量、速度向量和位移向量；F为系统受到的外部激励。 与求解确定性振动一样，依据模态坐标变换及模态叠加理论，可得到系统的频响函数 H=1 rTr-mr2+kr+icr 式中：mr、kr、cr和r分别为模
8、态质量矩阵、模态刚度矩阵、模态阻尼矩阵和模态振型矩阵的第r列。 在频域中，功率谱密度是一个基本量，通过谱分析可以了解随机振动的频率成分。由杜哈梅积分公式和随机过程相关理论，可以推导出随机振动输入PSD与输出PSD之间的关系 Sout=H2Sin 最终响应通常采纳均方根加速度、均方根速度、均方根位移和均方根应力评价。 2 Miner线性累积损伤理论 经过半个多世纪不懈的探讨，疲惫累积损伤理论形成基于不同疲惫累计假设的理论和计算模型。虽然计算模型种类众多，但大量的试验探讨证明，在随机载荷作用下，Miner线性累积损伤理论6的寿命预估与试验结果大多吻合较好，因此在工程实际应用中广泛应用。 Miner
9、假定在循环应力作用下，累计总损伤D与零件汲取的净能量有关，提出疲惫线性累积损伤计算准则为 D=mi=1ni/Ni 当D=1时，试样汲取的能量达到极限值，试样发生疲惫破坏。 对于随机振动疲惫破坏的计算，工程界通常采纳STEINBERG7提出的应力听从Gaussian分布的三区间法。STEINBERG将von Mises应力处理成3个区间：第一应力区间-11；其次应力区间-2-1和 12；第三应力区间-3-2和23。 3个区间发生振动的时间见 表1。依据Miner定律，在疲惫时间T内， D=n1N1+n2N2+n3N3 式中：n1、n2和n3分别为第一、其次、第三区间的实际循环次数；N1、N2和N
10、3分别为依据疲惫曲线查得的3个应力区间对应的循环次数。 3 数值仿真分析 3.1 计算模型 协助变流器柜结构采纳骨架焊接和钣金件铆接而成。利用HyperMesh建立整体结构有限元模型，采纳带中间节点的板壳单元SHELL181进行结构离散。风机、电抗器、逆变模块等柜体内部电气元件采纳质量单元MASS21模拟。焊缝和螺栓联接通过刚性联接进行模拟。柜体采纳新的设计方案，盖板和柜门等钣金件采纳铆钉联接，考虑到模拟计算的精确性和效率，采纳BEAM188模拟铆钉连接。协助变流器柜采纳上架式设备吊挂方式，车体安装梁连接的安装座面垂向不能有相对位移，所以约束y方向位移；对安装螺栓孔边，约束全部6个自由度。协助
11、变流器柜结构共离散成260 882个单元、267 489个节点。协助变流器柜有限元模型及整体坐标系见图1。其中：x、y、z方向分别为纵向、垂向和横向，x方向是车体行进方向，y方向是车辆垂向，z方向為枕木方向。 图 1 协助变流器柜有限元模型 3.2 模态分析计算结果 模态分析常用来确定结构的振动特性，即自振频率与振型，也是协助变流器柜进行随机振动谱分析前必要的前期分析过程。为深化探讨在冲击和振动等随机载荷作用下协助变流器柜的结构响应特性，避开外界激励频率与协助变流器柜固有频率接近时，结构共振影响其内部电气元件正常运行。利用ANSYS对协助变流器柜进行模态分析，采纳分块Lanczos法计算协助变
12、流器柜前50阶模态，协助变流器柜固有频率见表2。第1阶振动频率及其振型见图2，最大位移出现在高压室的隔板上。 3.3 随机振动载荷的描述与加载 依据IEC 61373标准，协助变流器柜的试验等级为1类A级。1类A级车身安装设备加速度谱密度量级示看法图3。目前，IEC 61373标准同时存在11019年版本IEC 61373110198和2022年版本IEC 61373202210，给结构设计人员带来不便。2022版与11019版相比，其功能性随机振动试验ASD量级未发生改变，但模拟长运用寿命随机振动试验1类A级ASD量级已明显降低11。长运用寿命测试1类A级安装设备ASD量级对比见表3，202
13、2版的模拟长寿命ASD谱值比11019版大幅度降低，降低幅度为47.60%48.55%。因此，为确保协助变流器柜平安牢靠地运行，须要对2022版和11019版标准进行对比分析。 3.4 结果分析 变流器质量约为690 kg，依据图3计算得到ASD谱见图4。为对比2个标准长运用寿命随机振动试验ASD对协助变流器柜仿真结果的影响，将图4中的ASD作为激励，对协助变流器柜进行随机振动仿真分析得到各向随机振动作用下的第一应力分布。 y向随机振动第一应力分布云图见图5。图5a）是基于IEC 6137311019标准ASD谱的结果，最大第一应力为75.336 MPa，出现在吊耳加强板与吊耳焊接处；图5b）
14、是基于2022版标准ASD谱的结果，最大第一应力为54.022 MPa，同样出现在吊耳加强板与吊耳焊接处。由此可知，2022版ASD谱表现出的应力分布结果与11019版基本一样，但最大第一应力约降低28.30%。各向随机振动最大第一应力见表4。 协助变流器柜骨架材料为不锈钢06Cr19Ni10，盖板等钣金件材料为铝合金5083H111，2种材料的SN曲线见文献1213。材料的SN曲线一般通过标准试样试验得到，未考虑加工等其他因素的影响，因此不能运用材料SN曲线进行疲惫分析，须要对其进行适当修正。一般机械结构的SN曲线可以通过疲惫强度降低因数调整。疲惫强度降低因数取1.55，调整后协助变流器柜结
15、构SN曲线见图6。 由式计算可得协助变流器柜随机振动试验的振动平均频率+为51.786 Hz。依据IEC 61373标准长运用寿命试验规定，协助变流器柜在3个方向试验时间不得小于5 h。取T为5 h即1.8E+5 s，依据表1计算可得 由表5可知，横向和纵向总体损伤均为0，说明协助变流器柜在横向和纵向随机振动时疲惫寿命能满意设计要求。在垂向随机振动时：按11019版标准ASD谱，协助变流器柜的总体损伤为0.785；按2022版标准ASD谱，协助变流器柜的总体损伤为0.067。两者的总体损伤值相差11.73倍，说明协助变流器柜在2022版标准ASD谱激励下的疲惫寿命是11019版标准ASD谱激励
16、下疲惫寿命的11.73倍。 4 结 论 基于频域法分析协助变流器柜在随机振动载荷作用下的响应，依据Miner线性疲惫累计损伤理论和高斯三区间法，对随机振动载荷作用下的协助变流器柜进行疲惫寿命分析。 对目前同时存在的机车车辆设备冲击振动试验IEC 61373标准11019版与2022版进行对比，发觉其功能性随机振动试验ASD量级并未发生改变，但与2022版的模拟常运用的寿命随机振动ASD值相比11019版大幅降低，其中1类A级降低47.60%48.55%。 协助变流器柜在IEC 61373标准11019版ASD谱和2022版ASD谱激勵下，结果均满意设计要求。同时，通过对比发觉，与11019版相
17、比，依据2022版计算的各项随机振动最大第一应力值降低27.79%29.69%，垂向随机振动总体损伤值相差11.73倍。说明2022版标准较11019版偏宽松，从平安性上考虑，建议按严格等级更高的11019版对协助变流器柜进行疲惫寿命分析。 参考文献： 1 丁杰， 唐玉兔. 变流器柜体随机振动疲惫分析J. 大功率变流技术， 2022： 2529. 2 丁杰， 唐玉兔， 胡昌发， 等. 基于不同标准内容的变流器柜体结构仿真分析J. 机车电传动， 2022： 2529. 3 张云， 吴圣陶， 曾柯杰， 等. 某电子设备随机振动疲惫寿命仿真分析J. 电子机械工程， 2022， 32： 2528. 4
18、 王超， 许平， 何华. 机车协助变流器柜基于有限元的疲惫分析J. 铁道机车与动车， 2022： 1418. 5 代锋， 唐德效， 石敏. 星载电子设备元器件随机振动疲惫分析J. 空间电子技术， 2022， 8： 7680. 6 王文伟， 程雨婷， 姜卫远， 等. 电动汽车电池箱结构随机振动疲惫分析J. 汽车工程学报， 2022， 6： 1014. 7 STEINBERG D S. Vibration analysis for electronic equipmentM. New York： Wiley， 11018. 8 Railway applications： Rolling stock
19、 equipmentshock and vibration tests： IEC 6137311019S. 9 轨道交通：机车车辆设备：冲击和振动试验： GB/T 215632022S. 10 Railway applications： Rolling stock equipmentshock and vibration tests： IEC 613732022S. 11 秦建忠， 宋桂环， 李杰. IEC 61373两个版本标准的振动试验量级对比分析J. 环境技术， 2022：5456. 12 张真源. 结构钢超高周疲惫性能探讨D. 成都：西南交通高校， 2022. 13 董轩成. 缺口应力集中对高速列车铝合金超高周疲惫性能影响的探讨D. 成都：西南交通高校， 2022. 第11页 共11页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页