地鐵車弓網監測系統外殼結構性能仿真分析

盛自強，熊德偉，朱 磊，劉鈺宸，智鵬鵬

（1.合肥中車軌道交通車輛有限公司，安徽 合肥 230012；2. 電子科技大學長三角研究院（湖州），浙江 湖州 313001；3. 電子科技大學廣東電子信息工程研究院，廣東 東莞 523808）

0 引言

弓網系統的運行狀態是關乎地鐵列車運行安全的重要因素。為準確真實反應地鐵列車運行過程中的弓網關系，安裝車載弓網監測系統逐漸成為保障列車運行可靠性和安全性的重要手段。弓網監測系統主要由車頂數據采集模塊、車內分析服務器、車底振動補償模塊以及地面專家系統等模塊構成。車頂數據采集模塊中的電氣元件主要由其外殼承擔保護作用，因此外殼結構設計的合理性是弓網系統穩定運行的關鍵，開展外殼的結構設計及優化具有重要意義。通過計算機仿真來驗證產品是否符合設計要求，可以有效降低實物試驗所帶來的高昂研發成本[1]。有限元法作為一種高效的數值計算方法，成為解決復雜工程分析問題的有效途徑，在諸多工程技術領域中得到廣泛應用[2-4]。于曰偉等[5]通過有限元仿真對高速動車組轉向架進行懸掛參數的聯合優化，改善了列車的乘坐舒適性。張東祥等[6]利用有限元仿真分析了裝夾條件對汽車橋殼焊接溫度場、焊接殘余應力及焊接變形的影響情況，為提升焊接效率提供理論支撐。王鵬等[7]基于有限元計算結果搭建車體模態測試系統，并對比模態計算和模態試驗結果，為車體的后續優化提供理論依據。Sharma等[8]通過有限元仿真評估了電力機車車頭的耐撞性，基于碰撞結果找出機車頭的固有結構弱點，為機車頭結構的改進提供定性和定量的數據參考。

本文將以新設計的地鐵車弓網監測系統車頂數據采集模塊的外殼作為研究對象，在Hypermesh軟件中建立其有限元模型，分別根據IEC 61373和EN 12663標準確定出外殼的靜強度和疲勞強度計算工況，并導入到ANSYS求解器中進行外殼的結構性能仿真計算。分析結果表明，車頂數據采集模塊外殼結構的性能參數符合相關的設計要求，同時也為外殼的結構優化提供有效的理論指導。

1 外殼有限元模型的建立

車頂數據采集模塊外殼主要由薄板鋁合金折彎件、加強筋和加強肋焊接而成，與安裝底板通過螺栓連接于車頂。

在CATIA中建立外殼的幾何模型，將其幾何模型導入到Hypermesh軟件中進行有限元前處理，由于外殼的結構特點，且兼顧計算效率整體采用Shell181殼單元對其進行網格劃分，網格大小控制在5 mm，共計14 905個單元，單元節點總數為15 513個。外殼與車頂安裝位置處采用Rbe3單元模擬，構建好的外殼的有限元模型如圖1所示，外殼材料的性能參數見表1。

表1 外殼材料屬性參數

2 外殼靜強度及模態分析

2.1 確定計算工況及約束條件

由于外殼安裝于車頂，其試驗值選取屬于IEC 61373中的一類A級，根據標準要求，共對模塊進行了三種工況的靜強度計算。在外殼與車頂相連的安裝位置施加全約束。表2給出了外殼在沖擊加速度作用下的強度工況及約束條件，各工況的約束示意圖如圖2所示。表2中g表示重力加速度，其值為9.8 m/s2。

圖2 外殼位移邊界約束

表2 靜強度計算工況

2.2 外殼靜強度分析

根據確定的外殼計算工況，在ANSYS求解器中計算出各個工況下外殼的最大應力。比較Von-Mises應力與材料屈服強度的大小關系來評估外殼的靜強度是否符合設計要求。EN 12663規定，在僅利用仿真計算進行設計驗證時，許用安全系數取為1.15。工況1到工況3的計算所得的應力云圖如圖3、圖4和圖5所示。各工況下仿真結果及其安全系數見表3。

表3 各工況靜強度仿真計算結果

圖3 工況1下外殼應力云圖

圖4 工況2下外殼應力云圖

圖5 工況3下外殼應力云圖

由仿真計算結果可知，車頂數據采集模塊外殼在三種工況下材料的屈服強度均比外殼的最大應力值大，各最大應力出現位置的安全系數均大于1.15，表明該外殼結構的靜強度符合設計要求。其中，工況1和工況2最大應力均出現在外殼與安裝底板連接處，表明此部分區域較為薄弱。

2.3 外殼模態分析

機械結構的模態特性會對其結構安全性產生重要影響。車頂數據采集模塊外殼安裝于車體頂部，當外殼的固有頻率和車體相同或接近時，外殼會與車體發生共振，不僅會導致自身使用壽命降低，還可能會使車體產生局部破壞，從而會影響到車輛的運行安全性。因此，開展對新設計外殼的模態特性分析具有重要意義。

外殼的模態分析中，其固有頻率通常有多階，高階模態的能量占比較低，對外殼振動的影響較小，因此本次外殼模態分析僅提取前6階模態的固有振動頻率及振型圖[9]。表4給出了外殼前六階模態的頻率及其振型描述。工程應用中，通常關注外殼的一階垂向彎曲模態和一階扭轉模態，捕獲得到外殼的一階垂向彎曲和一階扭轉振型云圖分別如圖6和圖7所示。

表4 外殼模態仿真分析結果

圖6 外殼一階垂向彎曲振型云圖

圖7 外殼一階扭轉振型云圖

外殼模態仿真結果顯示，外殼的一階垂向彎曲頻率為49.76 Hz，一階扭轉頻率為62.66 Hz，而車體的自振頻率通常處于10 Hz～20 Hz之間[10]，避開了車體工作頻率區間，不會與車體發生共振，因此外殼的模態設計滿足要求。

3 外殼疲勞強度分析

對車頂數據采集模塊進行疲勞特性研究，可以有效指導外殼結構的改進和優化，并且可以為預防外殼的疲勞破壞提供重要的依據。本文將采用基于名義應力的疲勞極限法來評估外殼的疲勞強度是否滿足要求。疲勞極限法評估外殼疲勞強度基本可以分為以下三步：①確定疲勞載荷工況；②通過試驗或者查詢相關標準獲取材料的疲勞極限值；③對比各疲勞載荷工況下節點最大應力與設計循環次數下的材料疲勞極限值大小，如果未超過疲勞極限值，則認為該應力程度下的疲勞強度滿足要求。外殼的疲勞強度計算工況依據EN12663確定，各工況的加速度載荷值見表5，其中g表示重力加速度。圖8為鋁合金材料及其焊縫的疲勞極限圖，其中R表示應力比。

表5 疲勞強度計算工況

圖8 材料疲勞極限圖

各疲勞工況的計算結果如下：

① 疲勞工況1計算結果第一主應力的應力云圖如圖9所示，應力比為-1，最大第一主應力的值為1.527 MPa，產生的位置位于后側懸掛相機窗口側邊。由圖8（a）可知，未超過材料的疲勞極限，滿足疲勞強度設計要求。

圖9 疲勞工況1第一主應力云圖

②疲勞工況2計算結果第一主應力的應力云圖如圖10所示，應力比為-1，最大第一主應力的值為0.795 MPa，位于外殼與底板連接處。由圖8（a）可知，未超過母材的疲勞極限，滿足疲勞強度設計要求。

圖10 疲勞工況2第一主應力云圖

③ 疲勞工況3計算結果第一主應力的應力云圖如圖11所示，應力比為0.74，最大第一主應力的值為3.511 MPa，發生在前側懸掛相機窗口側邊處。由圖8（a）可知，未超過母材的疲勞極限，滿足疲勞強度設計要求。

圖11 疲勞工況3第一主應力云圖

通過對車頂數據采集模塊外殼的疲勞強度仿真計算，外殼在三種疲勞載荷工況條件下，外殼的最大第一主應力均小于材料的疲勞極限，表明外殼的疲勞強度符合設計要求，并且外殼安全裕度較高。

4 結論

本文建立了新設計地鐵車弓網監測系統車頂數據采集模塊外殼的有限元模型，利用有限元仿真計算評估了外殼的靜強度、模態和疲勞強度，得出以下結論：

（1）在IEC 61373確定的靜強度各計算工況下，外殼的最大等效應力出現在鋁合金上，且小于材料的屈服強度，安全系數均大于1.15，因此外殼的靜強度符合設計規范要求；此外還對外殼的模態進行了分析，模態計算結果表明，外殼的自振頻率避開了車體的工作頻率區間，不會與車體發生共振，符合設計要求。

（2）外殼的疲勞強度計算結果表明，三種疲勞工況下的最大第一主應力均發生在鋁合金折彎件上，并且其數值均小于鋁合金的疲勞極限，表明外殼的疲勞強度符合設計要求。