賈金生， 馬思群， 孫彥彬， 馬瑞， 霍洪升， 賈博元

（1.大連交通大學(xué) 機車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連116028；2.大連工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)與信息工程學(xué)院，遼寧 大連116400；3. 大連科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，遼寧 大連116052）

0 引 言

牽引變流柜作為機車上主要的電氣裝備，內(nèi)部裝有大量電器元件，機車在高速運行時極易產(chǎn)生振動，可能影響電器設(shè)備的正常工作，甚至會影響列車的運行安全。故在牽引變流柜的設(shè)計中，如何設(shè)計在保證安全性和可靠性的同時減輕自重，又不會致使成本過高成為主要研究課題[1]。

1 變流柜體模型的建立

變流柜是采用鉚接及內(nèi)部設(shè)備采用螺栓聯(lián)接相結(jié)合的框架結(jié)構(gòu)形式，采用不銹鋼材料，厚度全部在10 mm以下。根據(jù)企業(yè)提供的實體圖與二維圖樣，在SolidWorks三維建模軟件中直接建立變流柜的實體模型，將建立好的模型文件生成iges格式，導(dǎo)入功能強大的有限元分析軟件Hypermesh中，對其進行離散，完成網(wǎng)格劃分。

建模時采用剛性單元模擬鉚接和螺栓聯(lián)接，其內(nèi)部電器元件采用質(zhì)量單元Mass21進行模擬，變流柜整體采用板殼單元shell181離散，單元大小為10 mm。在牽引變流柜與車廂地板及側(cè)墻連接螺栓處分別設(shè)置3 個方向平動自由度約束。建立的模型單元數(shù)為267 397個，節(jié)點數(shù)為268 852個，總質(zhì)量為659.1 kg，有限元模型如圖1所示。

2 靜強度分析

2.1 建立工況

根據(jù)BSEN12663-1-2010《鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》的標準[2]，牽引變流柜受慣性力對其施加超常載荷工況，加載方式：在縱向施加±3g、橫向±1g、垂向（1±c）g等三向加速度，其中c按設(shè)備位置取1，g取9.81 m/s2。超常載荷工況計算如表1所示。

圖1 牽引變流柜有限元模型

3 Optistruct軟件的優(yōu)化方法

4 牽引變流柜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

4.1 牽引變流柜優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

牽引變流柜有限元模型基本由板殼單元構(gòu)成，以變流柜的板殼結(jié)構(gòu)的板厚為設(shè)計變量，最大應(yīng)力為約束條件，變流柜的總質(zhì)量最小為目標函數(shù)，運用Optistruct軟件對牽引變流柜的板厚進行尺寸優(yōu)化。

式（5）表明，尺寸優(yōu)化的設(shè)計變量共10個，根據(jù)標準選擇應(yīng)力值180 MPa作為約束條件。牽引變流柜優(yōu)化時各設(shè)計變量初始值及其變化范圍如表3所示。

4.2 變流柜尺寸優(yōu)化結(jié)果分析

考慮到實際制造過程中板材的厚度不可能為眾多的零散非整數(shù)，應(yīng)對設(shè)計變量的優(yōu)化數(shù)值進行圓整，查找《機械設(shè)計手冊》選取標準值，圓整結(jié)果如表4所示。優(yōu)化前后應(yīng)力值見表5。

表3 優(yōu)化設(shè)計變量初始值及其變化范圍

表4 設(shè)計變量優(yōu)化后結(jié)果

表5 應(yīng)力優(yōu)化前后變化值

根據(jù)表4、表5可知，優(yōu)化后的設(shè)計變量數(shù)值與優(yōu)化前相比有所下降，4種工況下的最大應(yīng)力值均有上升，但均小于材料屈服強度，柜體應(yīng)力分布更加均勻。優(yōu)化后自重為584.9 kg,質(zhì)量降低11.26%，達到了輕量化的目的。

4.3 優(yōu)化前后模態(tài)對比結(jié)果分析

模態(tài)為結(jié)構(gòu)的固有振動特性。結(jié)構(gòu)每一階模態(tài)由固有頻率、阻尼比和振型組成。模態(tài)分析的微分方程可參考文獻[6]，本文不作贅述。

計算中采用ANSYS支持的Block Lanczos算法，對牽引變流柜體的模態(tài)進行分析，低階振型對構(gòu)件的振動特性影響顯著。故提取變流柜前6階低階模態(tài)，得到相應(yīng)的固有頻率及振型。由于篇幅有限，只截取了優(yōu)化前后第1階模態(tài)云圖，如圖4、圖5所示，優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的固有頻率結(jié)果如表6所示。

根據(jù)表6的對比分析結(jié)果顯示，優(yōu)化后的各階模態(tài)均大于10 Hz，且沒有20 Hz的模態(tài)出現(xiàn)，滿足相關(guān)標準的要求，且固有頻率變化率不大。

5 結(jié) 論

牽引變流柜經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在滿足強度要求的同時，使其質(zhì)量下降11.26%，達到了輕量化的目的。

圖4 優(yōu)化前第一階模態(tài)

圖5 優(yōu)化后第一階模態(tài)

表6 優(yōu)化前后固有頻率對比

優(yōu)化設(shè)計后,應(yīng)力分布更加均勻, 側(cè)板、蓋板、橫梁等在優(yōu)化前應(yīng)力分布較小,材料特性并沒有得到充分利用,優(yōu)化后應(yīng)力分布增大,相應(yīng)的板厚隨之降低,依然滿足強度要求,在各個板厚變化的情況下，優(yōu)化后的模態(tài)的數(shù)值均大于10 Hz，滿足相關(guān)標準的設(shè)計要求。

牽引變流柜通過尺寸優(yōu)化減重明顯，說明尺寸優(yōu)化是輕量化設(shè)計中一種有效的優(yōu)化方法，本文研究內(nèi)容可以為其它相關(guān)工業(yè)產(chǎn)品的輕量化、經(jīng)濟性設(shè)計提供一定的參考。