基于ANSYS的電氣柜體強(qiáng)度與模態(tài)分析

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

  機(jī)車電氣柜通過過渡梁和安裝座吊掛安裝在機(jī)車底架橫梁上。柜體內(nèi)部吊掛安裝著大量電氣設(shè)備。由于列車運(yùn)行中存在縱向沖擊、垂向及橫向振動(dòng),電氣柜鋼結(jié)構(gòu)柜體及其安裝結(jié)構(gòu)承受著復(fù)雜的綜合載荷作用。隨著鐵路機(jī)車車輛運(yùn)行速度的不斷提高,車載吊掛件的運(yùn)行工況變得更為惡劣。柜體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和振動(dòng)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(yùn)行安全。因此,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度及模態(tài)分析,在設(shè)計(jì)階段確保結(jié)構(gòu)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(duì)其進(jìn)行了靜強(qiáng)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(jié)合的結(jié)構(gòu),且板厚基本在10 mm以下,故根據(jù)設(shè)計(jì)廠家提供的I-DEAS實(shí)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(jié)構(gòu)不完全對(duì)稱,為準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的受力狀況,取整體結(jié)構(gòu)建立有限元力學(xué)模型。采用計(jì)算精度較高的帶中節(jié)點(diǎn)的板殼單元she1193進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散。shell93單元具有8個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度:沿坐標(biāo)系x,y,z方向的平動(dòng)和沿坐標(biāo)系x,y,z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。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(gè)自由度的單節(jié)點(diǎn)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(gè),質(zhì)量單元6424個(gè),節(jié)點(diǎn)132830個(gè),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。

2 電氣柜體及其過渡梁靜強(qiáng)度分析

    2.1計(jì)算工況
   
    電氣柜的計(jì)算載荷參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)施加,考核車體附屬設(shè)備在慣性力載荷下的靜強(qiáng)度。計(jì)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(shè)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(duì)與車體安裝梁連接的吊座面,縱向不能有相對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng),所以約束螺栓孔邊的全部6個(gè)自由度。

    2.3計(jì)算結(jié)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(duì)電氣柜體及其過渡梁進(jìn)行有限元靜強(qiáng)度分析。結(jié)果表明,各節(jié)點(diǎn)的位移變形均在1mm以內(nèi),工況4的計(jì)算應(yīng)力最大,計(jì)算結(jié)果,如表1所示,柜體單元頂層及底層的等效應(yīng)力云圖,如圖2、圖3所示。從應(yīng)力云圖可以看出,結(jié)構(gòu)大部分節(jié)點(diǎn)應(yīng)力較小,只有在過渡梁等應(yīng)力集中的局部區(qū)域應(yīng)力偏大,也沒有超過材料屈服極限210 MPa。

3 電氣柜體及其過渡梁模態(tài)分析
   
為了便于對(duì)電氣柜體及其安裝結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)用工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行評(píng)估,本研究采用ANSYS軟件對(duì)電氣柜體及其過渡梁進(jìn)行了模態(tài)分析(固有振動(dòng)特性分析)。
   
根據(jù)模態(tài)分析得到的固有振動(dòng)頻率及相應(yīng)的振型,判斷結(jié)構(gòu)在外界激勵(lì)作用下是否會(huì)發(fā)生共振。如果鋼結(jié)構(gòu)柜體某階振型的自振頻率與外界激勵(lì)的頻率接近,那么鋼結(jié)構(gòu)柜體將在該頻率下發(fā)生相應(yīng)振型的強(qiáng)烈共振,從而導(dǎo)致設(shè)備損壞,并將大幅降低鋼結(jié)構(gòu)柜體的使用壽命。

    3.1 模態(tài)分析理論
   
由彈性力學(xué)有限元法可知,電氣柜體及其過渡梁的運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)加速度向量、速度向量和位移向量;{F(t)}—結(jié)構(gòu)激勵(lì)向量;{X}={x1;x2;xn};{F(t)}={f1,f2,…,fn}。
   
    若去掉激勵(lì),忽略阻尼,則得到典型的結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程:

    令,則有,代入式(2),可得結(jié)構(gòu)振動(dòng)的特征方程:
       

模態(tài)分析就是計(jì)算該特征方程的特征值。:及其對(duì)應(yīng)的特征向量{Φi}。對(duì)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(jì)算結(jié)果分析
   
采用Block Lanczos法對(duì)電氣柜體及其過渡梁進(jìn)行模態(tài)分析,約束條件同靜強(qiáng)度分析一致,將過渡梁的吊掛面及螺孔做相應(yīng)的位移約束處理。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)表達(dá)為各階固有振型的線性組合,振動(dòng)能量主要集中在結(jié)構(gòu)前幾階振動(dòng)中,低階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)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(yīng)的振型及振型動(dòng)畫。前6階固有頻率及最大振動(dòng)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。

由振型動(dòng)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(dòng),第2階振型為小隔離板在X軸方向的擺動(dòng),第3階振型為左底板在Z軸方向的擺動(dòng),第4 ,5階振型主要為右頂板在Z軸方向的擺動(dòng),第6階振型為左頂板在Z軸方向的擺動(dòng)。
   
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(dòng)變形較大(18.3 mm),所以前側(cè)左隔離板顯然是振動(dòng)薄弱位置,影響到了整體結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)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(dǎo)致其剛度偏小,自振頻率偏低。為此,將前側(cè)左隔離板振動(dòng)位移偏大處增加一個(gè)質(zhì)量為0.l7 kg的細(xì)長(zhǎng)U形加強(qiáng)梁,如圖6所示。采用上述強(qiáng)度和模態(tài)分析方法計(jì)算得到改進(jìn)結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)力分布圖以及前6階低階固有頻率、相應(yīng)的振型和振型動(dòng)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(jìn)結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)力水平跟原有結(jié)構(gòu)的相當(dāng),但是增加加強(qiáng)梁后,結(jié)構(gòu)1階振動(dòng)頻率提高到了36.6 Hz,前側(cè)左隔離板的振動(dòng)變形也降低到8 mm以下,說明通過增加加強(qiáng)梁以改善結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的方法是有效的。建議繼續(xù)改進(jìn)結(jié)構(gòu),不斷調(diào)整加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的尺寸,直至獲得高強(qiáng)度和良好穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)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(duì)其進(jìn)行了靜強(qiáng)度校核,由整體結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力分布情況可知,結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度完全符合實(shí)際工程需要;對(duì)電氣柜體及其過渡梁進(jìn)行了模態(tài)分析,得到了結(jié)構(gòu)前6階低階固有頻率、相應(yīng)的振型及振型動(dòng)畫,發(fā)現(xiàn)前側(cè)左隔離板為振動(dòng)薄弱部位,為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及深入的動(dòng)力學(xué)分析和疲勞分析提供了依據(jù)。通過增加質(zhì)量?jī)H為0.17 kg的加強(qiáng)梁,薄弱位置的振動(dòng)性能得到了明顯的改善;根據(jù)模態(tài)計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果表明,合理增加結(jié)構(gòu)剛度可以在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)改善其固有振動(dòng)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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