風笛安裝支架隨機振動疲勞分析及優化

劉元君

摘要：風笛是提供軌道交通聽覺信號的裝備，通過風笛安裝支架安裝于車下，安裝支架需要保證在車輛運行時的振動載荷作用下不破壞。根據標準IEC61373提供的標準隨機振動載荷譜對設計的風笛安裝支架進行疲勞壽命的評估，結果表明初始設計方案雖滿足標準要求但安全系數不大，對安裝支架結構優化后安全系數大幅提高。

關鍵詞：風笛支架;隨機振動;疲勞;優化

1? 概述

隨機振動引起的結構累計疲勞損傷現象普遍存在，軌道交通方面有關隨機振動疲勞的標準有IEC61373、MIT-STD-810等，盡管各零部件在結構、材料、運營環境等方面都不相同，但這些標準作為通用標準，對零部件的設計優化仍然有重要的參考意義。

隨機振動疲勞分析首先需要通過試驗或者有限元仿真得到獲得結構危險點應力或應變響應結果，然后基于時域或頻域法建立合適的振動疲勞壽命預測模型，最后結合材料疲勞特性（通常是冪函數型S-N曲線）及Miner線性疲勞累積損傷理論得到結構的累積損傷，進而得到疲勞壽命值。

采用頻域方法求解隨機振動疲勞壽命，在計算效率方面比時域法有很大的優勢，其關鍵是將結構的應力響應功率譜密度函數轉化為應力幅值的概率密度函數。

2? 風笛支架設計和優化

2.1 幾何模型

風笛是提供軌道交通聽覺信號的裝備，安裝于頭車車下前端。風笛重約4.4Kg，靠風笛安裝支架與車體橫梁連接，其重心在支架的安裝孔中心向前40mm向下80mm的位置。

風笛安裝支架的設計，不但需要保證與車體的連接可靠，更需要保證在車輛運行過程中，在輪軌激勵引起的振動載荷作用下不破壞。根據相關參數，風笛支架初始設計方案如圖1所示。

2.2 有限元模型

根據風笛支架的設計結構和安裝橫梁尺寸建立幾何模型，對橫梁和支架的幾何模型進行離散。模型采用二階六面體單元，單元大小為3mm，共劃分1.8萬單元，11.9萬個節點，圖2是風笛支架初始設計方案幾何模型，圖3是風笛支架有限元模型。

2.3 材料屬性

支架材料選用不銹鋼06Cr9Ni，材料屬性如表1所示。

2.4 基于模態的穩態動態分析

基于模態的穩態動力學分析方法，是用模態疊加法求解系統的穩態響應。先通過模態分析，計算系統的特征模態，再通過變換得到一組用模態坐標表示的單自由度運動方程。求解各個單自由度運動方程得到系統在模態坐標下的穩態響應后，通過變換最后獲得系統在物理坐標下的穩態響應。

首先在ABAQUS軟件中進行風笛的模態分析，將風笛簡化為質量點，按其重心的相對位置做RBE2耦合，約束橫梁的兩端六個自由度，計算結構在500Hz內的各階模態。然后對結構進行基于模態的穩態動態分析，計算橫向、縱向、垂向三個方向500Hz內諧波激勵響應的基于頻域的振幅和相位。

2.5 功率譜密度確定

功率譜密度是結構在隨機動態載荷激勵下響應的統計結果，標準IEC61373-2010中根據零部件在車輛的安裝位置以及零部件的質量，將零部件的長壽命測試所需施加的功率譜密度分為1類A、1類B、2類和3類等共4級，風笛是安裝于車體的設備，且小于500Kg，根據IEC61373-2010規定屬于1類A設備，所以取x=0.532（m/s2）2/Hz，f1=5Hz，f2=150Hz。圖4是標準加速度功率譜密度曲線。

2.6 疲勞強度評價和優化

根據確定的加速度功率譜密度加載，算法用Dirlik函數，在Fesafe軟件中把模態分析結果和基于模態的動態穩態分析結果導入，完成疲勞壽命分析，計算結果顯示，垂向隨機振動疲勞壽命最小，為5.54小時，可以滿足IEC61373-2010標準規定的5小時長壽命隨機振動試驗要求。圖5是初始設計方案垂向隨機振動疲勞壽命云圖。

支架的壽命最低點是拐角的焊縫區域，考慮到焊縫區域可能存在一定的不確定性，以及實際運行線路風阻較大等客觀因素，決定對此結構進行優化。為降低拐角區域應力，將支架橫跨到兩個橫梁上，避免支架的懸臂結構而造成的應力集中。圖6是風笛支架優化方案，對優化方案進行疲勞強度計算，圖7是風笛支架優化方案有限元模型，圖8是風笛支架優化方案垂向隨機振動疲勞壽命云圖，可以看出，優化方案的疲勞壽命大幅提高。

3? 結論

通過對風笛安裝支架初始設計方案進行疲勞壽命計算，計算結果顯示結構滿足標準要求，但考慮到線路運行情況對其優化，優化后安全系數大幅提升。根據IEC61373提供的標準隨機振動載荷譜，用Fesafe軟件進行疲勞壽命評估，可以為結構設計和優化提供有效的參考依據。

參考文獻：

[1]IEC 61373-2010，鐵路應用 鐵道車輛設備沖擊和振動 試驗標準（英文版本）[S].

[2]GB/T 7928 2003，地鐵車輛通用技術條件[S].2009.

[3]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社.

[4]林鵬，鞠增業，趙子豪.某型動車組轉向架撒沙裝置模態及隨機振動疲勞分析[J].武漢：現代商貿工業，2018，12：192-194.