某城軌車輛輔助電源裝置結構強度及模態分析*

劉金鑫，劉 奎，楊春宇，魏 興，馬 龍，閆莉瑩

(1.西安中車永電捷通電氣有限公司，陜西 西安 710016； 2.中車大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116021)

0 引 言

輔助電源裝置作為城軌列車空調、換氣、照明等設備提供電能的裝置，安裝于車體底架梁上，其結構強度及剛度特性直接影響列車的行車安全。隨著城軌車輛朝著集成化、輕量化的方向發展，對車下設備的結構強度及剛度特性提出了更高的要求。EN12663-1:2010《鐵路應用-鐵道車輛的結構要求》中提出，車體及其相關車下設備在設計過程中需進行結構強度及剛度的分析和試驗，以此確認結構的強度及剛度特性，保證設備最終通過相關驗證。鑒于此，黃磊杰等[1]對優化后的牽引輔助變流器的結構靜強度和模態進行了仿真分析。周博等[2]采用EN12663-1:2010的載荷條件對逆變器的吊裝結構進行了校核。張文威等[3]基于EN 12663 -1:2010標準對變流器的柜體結構強度進行了分析，采用FKM標準和VDI2230準則對柜體的焊縫和螺栓進行疲勞強度校核。王艷麗等[4]從軌道客車車體靜強度分析與試驗的角度說明了EN12663-1標準的應用范圍和對設計改進的指導作用，崔元虎等[5]對西安2號線永磁牽引逆變器進行了模態和靜強度分析，提出車下設備最低階固有頻率高于30 Hz時可避免與車體發生共振。

筆者以某城軌車輛輔助電源裝置為研究對象，利用EN12663-1:2010標準規定的載荷條件對建立的輔助電源裝置虛擬樣機進行結構強度和模態仿真分析，通過實物樣機試驗對其結構強度進行驗證，得到的研究結果可為城軌車輛輔助電源裝置及相關車下設備的結構設計提供借鑒。

1 輔助電源裝置結構有限元仿真模型

1.1 輔助電源裝置結構布局

圖1所示為輔助電源裝置結構示意圖。

圖1 輔助電源裝置結構示意圖(頂板隱藏后視圖)

輔助電源裝置總質量為1 487 kg，內部主要電氣部件有功率模塊、電抗器、濾波電容、接觸器組件、濾波器、預充電組件、風機、控制單元等。箱體結構由2 mm、3 mm、5 mm不同厚度的不銹鋼(06Cr19Ni10)鈑金件組焊形成。06Cr19Ni10的力學性能參數見表1，其中，E為彈性模量，σs為屈服強度，σb為抗拉強度，σ1為母材的疲勞強度，σ2為焊縫的疲勞強度。

表1 06Cr19Ni10力學性能參數[6] /MPa

1.2 輔助電源裝置有限元仿真模型

圖2所示為利用ANSYS WorkBench軟件建立的輔助電源裝置有限元仿真模型。箱體結構采用10 mm殼單元進行離散，內部電子元器件使用剛性質量點等效，焊點采用Weld連接進行模擬。最終形成的有限元網格數量為183 680個，節點數為216 950個。

圖2 輔助電源裝置有限元仿真模型

2 輔助電源裝置結構強度仿真分析

2.1 結構靜強度仿真分析

靜強度分析的目的是為了找到結構安全系數較低的部位，以便指導結構的設計改進，同時積累主動性經驗數據，為類似結構設計提供參考，避免重復性、普遍性的應力問題發生。

表2所列為依據EN12663-1:2010標準規定的P-Ⅲ類設備縱向、橫向、垂向組合靜載荷工，g為重力加速度，豎直向上為正向，取值為-9.81 m/s2[7]。

表2 EN12663-1:2010中P-Ⅲ類靜載荷工況

EN12663-1:2010標準對車下設備結構靜強度按照U=RdS/RL≤1進行校核。其中，U為利用率；Rd為計算或測試應力值，MPa；RL為材料屈服應力，MPa；S為屈服強度對應安全系數，取值為1.15。

按照表2中的六種工況仿真計算后，分別得到六種靜載荷工況下各自的等效應力最大值及利用率如表3所列。

表3 靜載荷1～6工況下最大等效應力計算結果

由表3數據可知，六種工況中，工況5的等效應力取值最大，其值為159.2 MPa，利用率為0.89，對應的最大等效應力位置見圖3。

圖3 靜載荷六種工況下最大等效應力云圖

2.2 結構疲勞強度仿真分析

表4所列為依據EN12663-1:2010標準規定的P-Ⅲ類設備縱向、橫向、垂向組合疲勞載荷工況。

表4 疲勞載荷工況 /g

按照表4中的八種疲勞載荷工況分別加載計算后得到輔助電源裝置的等效應力最大值如表5所列。

由表5數據可知，八種工況中，輔助電源裝置在工況3下的疲勞應力最大，由圖4可知，最大應力值出現在PU安裝孔母材處，其值為80.2 MPa，該值小于母材的疲勞應力177 MPa。

表5 疲勞載荷1～8工況下最大應力 /MPa

圖4 疲勞載荷八種工況下最大等效應力云圖

通過結構靜強度及疲勞強度仿真計算結果可知，輔助電源裝置的結構強度滿足設計要求。

3 輔助電源裝置模態仿真分析

模態分析是研究結構振動特性及剛度性能的重要方法，其目的是識別系統的固有振動特性。EN12663-1:2010要求在所有工作狀態下，車體相關附屬設備的固有振動模態應該與車體的自振模態隔離，以避免出現共振現象。

利用ANSYS WorkBench軟件對建立的有限元仿真模型進行模態分析,仿真計算后得到該輔助電源裝置的前6階固有頻率如表6所列。

表6 輔助電源裝置前6階固有頻率(ω0) /Hz

由表6數據可知，該輔助電源裝置的最低階固有頻率為47.4 Hz，大于設計限值30 Hz，1階模態振型如圖5所示，表現為PU腔室底板的垂向振動。

圖5 輔助電源裝置1階模態云圖

4 試驗驗證

為進一步驗證仿真計算結果，對輔助電源裝置實物樣機按照標準EN12663-1:2010進行樣機試驗，圖6所示為輔助電源裝置樣機試驗圖。

圖6 輔助電源裝置樣機試驗圖

試驗過程中輔助電源裝置未出現共振、箱體結構的永久損傷、焊縫開裂、螺栓松脫等現象，試驗順利通過，由此說明了該輔助電源裝置的結構滿足強度和剛度設計要求，同時也驗證了仿真計算結果的有效性。

5 結 語

依據EN12663-1:2010標準，采用有限元仿真的方法對輔助電源裝置進行了結構強度和模態分析，利用實物樣機進行了驗證試驗，仿真與試驗結果表明該輔助電源裝置的強度及剛度滿足設計要求。這一研究結果為城軌車輛輔助電源裝置及相關車下設備的結構設計提供了參考。