基于ANSYS的電氣柜體強度與模態(tài)分析

2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

機車電氣柜通過過渡梁和安裝座吊掛安裝在機車底架橫梁上。柜體內(nèi)部吊掛安裝著大量電氣設備。由于列車運行中存在縱向沖擊、垂向及橫向振動,電氣柜鋼結構柜體及其安裝結構承受著復雜的綜合載荷作用。隨著鐵路機車車輛運行速度的不斷提高,車載吊掛件的運行工況變得更為惡劣。柜體結構的強度和振動特性直接影響到柜內(nèi)電器元件的正常工作,甚至影響列車運行安全。因此,對結構進行靜強度及模態(tài)分析,在設計階段確保結構的可靠性是很有必要的。

本研究采用大型通用有限元軟件ANSYS的前處理模塊建立了電氣柜體及其過渡梁的有限元模型,根據(jù)有限元法對其進行了靜強度分析以及模態(tài)分析。

1 柜體及過渡梁有限元模型的建立

由于電氣柜體及其過渡梁全部為板、梁結合的結構,且板厚基本在10 mm以下,故根據(jù)設計廠家提供的I-DEAS實體圖和AutoCAD二維圖紙,直接采用ANSYS軟件的前處理模塊建立其三維幾何模型。

該變流器柜體結構不完全對稱,為準確模擬結構的受力狀況,取整體結構建立有限元力學模型。采用計算精度較高的帶中節(jié)點的板殼單元she1193進行結構離散。shell93單元具有8個節(jié)點,每個節(jié)點具有6個自由度:沿坐標系x,y,z方向的平動和沿坐標系x,y,z軸的轉(zhuǎn)動。柜體內(nèi)各吊掛安裝電器元件為非承載件,故其重量以質(zhì)量單元Mass21的形式模擬。Mass21為具有6個自由度的單節(jié)點單元,可以模擬電氣元件的重力和慣性力。采用自由離散與局部加密網(wǎng)格的方法離散模型后,有限元模型共有:板殼單元44 281個,質(zhì)量單元6424個,節(jié)點132830個,模型重量347.56 kg,電器元件重量1102. 9 kg。模型經(jīng)檢查沒有出現(xiàn)畸變單元。有限元模型,如圖1所示。

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2 電氣柜體及其過渡梁靜強度分析

    2.1計算工況

    電氣柜的計算載荷參照相關標準施加,考核車體附屬設備在慣性力載荷下的靜強度。計算載荷工況分以下4種:

    (1)自重+縱向慣性力(SMg) ;

    (2)自重+橫向慣性力(Mg) ;

    (3)自重+垂向慣性力(2Mg,包含重力的影響);

    (4)自重十縱向、垂向、橫向慣性力。

    其中M—柜體與電氣設備總質(zhì)量。

2.2約束邊界條件

為模擬過渡梁與車體橫梁的螺栓連接,對與車體安裝梁連接的吊座面,縱向不能有相對位移,施加縱向零位移約束;螺栓孔為聯(lián)接部位,視為完全不能相對運動,所以約束螺栓孔邊的全部6個自由度。

2.3計算結果分析

在上述有限元網(wǎng)格、邊界條件和載荷作用下,采用ANSYS軟件對電氣柜體及其過渡梁進行有限元靜強度分析。結果表明,各節(jié)點的位移變形均在1mm以內(nèi),工況4的計算應力最大,計算結果,如表1所示,柜體單元頂層及底層的等效應力云圖,如圖2、圖3所示。從應力云圖可以看出,結構大部分節(jié)點應力較小,只有在過渡梁等應力集中的局部區(qū)域應力偏大,也沒有超過材料屈服極限210 MPa。

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3 電氣柜體及其過渡梁模態(tài)分析

為了便于對電氣柜體及其安裝結構在實際運用工況下的動態(tài)響應特性進行評估,本研究采用ANSYS軟件對電氣柜體及其過渡梁進行了模態(tài)分析(固有振動特性分析)。

根據(jù)模態(tài)分析得到的固有振動頻率及相應的振型,判斷結構在外界激勵作用下是否會發(fā)生共振。如果鋼結構柜體某階振型的自振頻率與外界激勵的頻率接近,那么鋼結構柜體將在該頻率下發(fā)生相應振型的強烈共振,從而導致設備損壞,并將大幅降低鋼結構柜體的使用壽命。

3.1 模態(tài)分析理論

由彈性力學有限元法可知,電氣柜體及其過渡梁的運動方程可以寫成:

式中[M],[C],[K]—質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;—結構加速度向量、速度向量和位移向量;{F(t)}—結構激勵向量;{X}={x1;x2;xn};{F(t)}={f1,f2,…,fn}。

若去掉激勵,忽略阻尼,則得到典型的結構自由振動的運動方程:

令,則有,代入式(2),可得結構振動的特征方程:

模態(tài)分析就是計算該特征方程的特征值。:及其對應的特征向量{Φi}。對此廣義特征值問題,ANSYS9.0軟件提供了7種求解方法,本研究采用Block Lanczos法求解該特征方程。

3.2模態(tài)計算結果分析

采用Block Lanczos法對電氣柜體及其過渡梁進行模態(tài)分析,約束條件同靜強度分析一致,將過渡梁的吊掛面及螺孔做相應的位移約束處理。結構的振動表達為各階固有振型的線性組合,振動能量主要集中在結構前幾階振動中,低階振型對結構的振動特性起決定性作用。故提取前6階低階振型,得到前6階低階固有頻率、相應的振型及振型動畫。前6階固有頻率及最大振動變形,如表2所示。第1階和第6階振型位移云圖,如圖4、圖5所示。

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由振型動畫顯示可知,第1階振型為前側(cè)左隔離板在X軸方向的擺動,第2階振型為小隔離板在X軸方向的擺動,第3階振型為左底板在Z軸方向的擺動,第4 ,5階振型主要為右頂板在Z軸方向的擺動,第6階振型為左頂板在Z軸方向的擺動。

由表2可知,1階頻率為30. 6 Hz,剛剛滿足自振頻率大于30 HZ的要求,而且前側(cè)左隔離板在X軸方向上的振動變形較大(18.3 mm),所以前側(cè)左隔離板顯然是振動薄弱位置,影響到了整體結構的固有振動特性。這是由于前側(cè)左隔離板厚度較小(2 mm),面積較大,缺乏有力的支撐,導致其剛度偏小,自振頻率偏低。為此,將前側(cè)左隔離板振動位移偏大處增加一個質(zhì)量為0.l7 kg的細長U形加強梁,如圖6所示。采用上述強度和模態(tài)分析方法計算得到改進結構的靜應力分布圖以及前6階低階固有頻率、相應的振型和振型動畫。第1階和第6階振型位移云圖,如圖7所示。由云圖可知,改進結構的靜應力水平跟原有結構的相當,但是增加加強梁后,結構1階振動頻率提高到了36.6 Hz,前側(cè)左隔離板的振動變形也降低到8 mm以下,說明通過增加加強梁以改善結構振動特性的方法是有效的。建議繼續(xù)改進結構,不斷調(diào)整加強結構的尺寸,直至獲得高強度和良好穩(wěn)定性的結構。

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4 結束語

本研究利用有限元分析軟件ANSYS建立了電氣柜體及其過渡梁的有限元模型,根據(jù)考核工況對其進行了靜強度校核,由整體結構的變形及應力分布情況可知,結構靜強度完全符合實際工程需要;對電氣柜體及其過渡梁進行了模態(tài)分析,得到了結構前6階低階固有頻率、相應的振型及振型動畫,發(fā)現(xiàn)前側(cè)左隔離板為振動薄弱部位,為結構優(yōu)化設計以及深入的動力學分析和疲勞分析提供了依據(jù)。通過增加質(zhì)量僅為0.17 kg的加強梁,薄弱位置的振動性能得到了明顯的改善;根據(jù)模態(tài)計算結果對結構進行優(yōu)化的結果表明,合理增加結構剛度可以在保證結構強度的同時改善其固有振動特性,從而避免各電器元件以及電氣柜體的共振現(xiàn)象。

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