高铁设备舱随机振动疲劳仿真 (1).pdf

1、第5期（总第2 4 0 期）2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERINGA U T O M A T I O NNo.5Oct.文章编号：16 7 2-6 4 13（2 0 2 3)0 5-0 0 7 8-0 3高铁设备舱随机振动疲劳仿真信国庆1，马颖珊，聂春戈1，李（1.大连交通大学机车车辆工程学院，辽宁大连116 0 2 8；2.华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北武汉4 3 0 0 7 4；3.大连交通大学艺术学院，辽宁大连116 0 2 8)摘要：设备舱位于高铁车下方，仪器箱安装在设备舱内，用来实现高铁的健康监测，对安装有仪器箱的设备舱进行振动疲劳研究

2、是非常必要的。为掌握设备舱的固有振动特性，首先对其进行有限元网格划分，施加约束后导入到ANSYS计算模型的约束模态；接着对其进行随机振动分析，根据IEC61373一2 0 10 标准对模型施加对应的加速度功率谱密度得到需要的应力解；最后使用三区间法结合S一N曲线对产品结构进行疲劳累积损伤计算，验证了设备舱的结构安全性，为高铁的安全运行提供了保障。关键词：高速列车；设备舱；振动疲劳；仿真中图分类号：TP391.9：U 2 6 0.14+3李健，陶然3文献标识码：A0引言为了能够实时掌握高铁运行时的健康指标，通常在车下安装传感器，用来监测车辆的振动、加速度等性能指标。传感器的数据采集系统及电源等安

3、装在专用仪器箱中，而仪器箱则安装在车下设备舱内。列车在高速运行时，车身底部（包括仪器箱）受到振动冲击的影响比较大，所以有必要对包含仪器箱的设备舱进行振动疲劳分析。1随机振动基本理论1.1随机振动分析原理在实际工程应用中，一般认为随机输入的过程有各态历经性、均值函数为0。简而言之，这个函数包含了随机输人过程在不同阶段的所有统计信息。在一个各态历经过程中，相关函数R，（t)表示该过程在时域内关于幅值的统计信息，谱密度函数S（w）表示该过程在频域内关于幅值的统计信息，就过程而言，两者是类似的，并且由R，（t）经过傅里叶变换可以得到S.(),即:1+8R,(t)S.(a)ejorda.2元-80S.(

4、o)=R,(t)ejotdt.其中：t为随机过程X(t)中任意两个时间点ti和t之差;R（t）为随机过程X（t)的相关函数,R（t）=EX(t)X(ti十t),X(t)为随机过程X(t)在时间t;处的一个随机变量；w为外部激励角频率。当t=0时，由式（3）可知S.（）是均方值函数EX(t)的谱分解，根据电气工程中的相关物理意义，它被称为均方谱密度函数，也常被称为功率谱密度函数。R,(0)=EX(t)=米辽宁省交通运输厅交通科技计划项目（2 0 2 151）；辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目（10 150-3 12）收稿日期：2 0 2 3-0 3-3 1；修订日期：2 0 2 3-0 6

5、-2 1作者简介：信国庆（1999-），男，安徽准北人，在读硕士研究生，研究方向为城市轨道交通及车辆。根据方差公式=EX（t)?一EX（t)，再由0均值假设可知，随机激励实际上就是随机过程X(t)的方差值。因此在使用相关软件进行计算时，只需要向其输入给定的功率谱密度即可。1.2随机振动疲劳分析流程三区间法又称为三带技术，是Steinberg通过整理与重新编排大量的试验数据提出的一种基于高斯分布与Miner准则的简化方法，它可以从概率的角度评价结构在随机振动下的疲劳寿命。本文首先对设备舱结构进行约束模态分析，接着在模型的固定约束处施加标准的加速度功率谱，对其进行单点随机振动分析1，最后使用三区间

6、法对设备舱进行疲劳计算。随机振动疲劳分析流程如图1所示。设备舱有限元模型施加约束条件模态分析(1)施加加速度功率谱密度(2)三区间法图1随机振动疲劳分析流程1.3随机振动载荷谱的获取本次进行随机振动分析过程中对设备舱使用的是加速度功率谱密度参考IEC61373二2 0 10 标准，设备舱属于I类-A类车身安装设备，其ASD（加速度1频谱密度)曲线如图2 所示。图2 中，f1和f2分别为S,(w)da.(3)2元JX随机振动分析提取危险部位应力计算疲劳累计损伤加速度功率谱激励的起、止频率值；纵坐标ASD为对S-N曲线2023年第5期信国庆，等：高铁设备舱随机振动疲劳仿真79数坐标。长使用寿命测试

7、I类-A类安装设备ASD量级见表1。ASD49dB/倍频程上限标称值下限fi520图2 I类-A类车身安装ASD频谱设分析对象的质量为M，按照标准规定：当M500kg时：fi=5Hz，f 2=150 H z;当50 0 kgM1 250kg时:fi=2Hz,f=60 Hz。设备舱（含仪器箱）总重17 90 kg，所以，fi=2 Hz,f2=60 Hz。加速度功率谱的计算公式如下：m=log2f,/fi:am=10lgdn/di其中：m为f，对fi的倍频程数；f，为ASD曲线横坐标某一点处的频率；为对数功率谱密度曲线中直线段的斜率d，和di分别为f，和fi的功率谱密度值。由式（4）和式（5）通过

8、计算可分别获得横向（Z向）、纵向（X向）、垂向（Y向）三个方向随机载荷的加速度功率谱密度，表2 为主要频率点所对应的谱值。表1长使用寿命测试I类-A类安装设备ASD量级方向垂向ASD(m/s2)/Hz0.532表2 各向ASD频谱值加速度功率谱(m/s2)/Hz频率(Hz)垂向20.034450.532200.532600.05962设备舱随机振动疲劳寿命分析2.1设备舱和仪器箱有限元网格划分首先在SolidWorks里面建立包含仪器箱的设备舱三维模型，然后使用有限元分析软件Hypermesh进行网格划分，以四节点薄壳单元为主，三节点薄壳单元为辅。设备舱的壳单元类型选为Shell181，单元长

9、度为2 0 mm；仪器箱的壳单元类型为Shell181，单元长度为5mm，箱体材料为Q345钢。同时设备舱采用质量点的形式模拟，另外模型中的重要螺栓用梁单元Beam188模拟。网格划分后单元总数为6 8 0 6 4 6，节点总数为7 2 56 6 9。2.2设备舱模态及振型分析本文利用ANSYS软件进行仿真计算，采用BlockLanczos法提取出设备舱的前17 阶模态3，各阶模态固有频率如表3 所示。本文选取了设备舱的前4 阶典型振型进行分析，如图3 所示。由图3 可知：1阶模态的振型为设备舱内部横架沿Y轴的局部弯曲；2、3 阶模态的振型主要为设备舱内仪器箱中数据采集器的局部扭转；4 阶模态

10、的振型为设备舱横架沿Y轴的局部二阶弯曲。2.3设备舱随机振动分析在设备舱的固定约束处分别施加表2 中计算得到的横向、纵向以及垂向加速度功率谱密度，对结构进行随机振动分析。随机振动分析的结果包括以下信息：模态分析结果中的扩展模态振型，为载荷步1；基础激励静力解，为载荷步2；1的位移解（结构的应力响应）、速度解和加速度解分别对应载荷步3、载荷步4标称频谱的容差带土3 dB和载荷步5。表3 设备舱的前17 阶固有频率-6dB/倍频程阶数12345频率/Hz6789Contour.PlotDisplagement(Mag)Analysis system7.352E+006:536E+006:718E+

11、00-4.902E+00-4.085E+004-3.268E+00-2.451E+00-1.634E+00-8.169E-01O:000E+00(4)DNo,resultMax=7.352F+00(5)Node.99831iMin=0000B+00Node343922(a）1阶振型（16.7 8 7 Hz）Contour.PlotDisplacement(Mag)-1.758E+01-1.538E+01-1.319E+01横向纵向0.1310.234横向纵向0.0084630.0151180.1310.2340.1310.2340.0146640.026194固有频率(Hz)16.78720.

12、87527.72436.29343.96146.64647.13949.37753.3631.099E+01-8:7916+006.594E+004.396E+002.198E+00No,result0.000E+00Max=1.978E+01Node96io30Min=0,000E+00Nodey34392224（b）2 阶振型（2 0.8 7 5Hz）ContourPlotDisplagement(Mag)Analysis.system5.299E+004.7106+8021E+8036326+809446+8035566E+00+00177E+008876-81880E+00Max=5.

13、2Node961383Min=0.000t00Node,343922（c）3 阶振型（2 7.7 2 4 Hz）Contour.Plot,Displacement(Mag)Analysissystem5.305E+006+801268+805366+809476+003586+8089-8179E+005.8:880E+80Max=5.305E:00Node997255Min=0,000E+00Node,343922Z4X图3 设备舱的前4 阶典型振型云图经过ANSYS求解后，使用Hyperview软件从结果信息中提取出横向、纵向和垂向的1。应力云图（单阶数1011121314151617St

14、atre-Max-Value-7.352StaticMax.Nalue-5.299StaMaxNatu-S-305（d）4 阶振型（3 6.2 93 Hz）固有频率(Hz)58.47161.23473.63976.14684.43790.78595.84106.0480位为MPa），如图4 所示。Contour.Plottress(yonMises,Max,CornerData)iobalSystemAdvlvancedAverage3E+01i2i2i2i-+537944335福08588E+3433E-NoRestMaxNode,858493Min=1.34433E12Node46185（

15、a）横向激励下1应力云图通过观察图4 可知：设备舱在受到横、纵、垂三个方向的加速度激励时，应力最大点均分布在仪器箱箱体上，并且在纵向加速度激励下1c应力最大，为10 6 MPa，但小于Q345钢的屈服强度，具体位置在仪器箱箱体与托架连接处。2.4随机振动疲劳寿命分析本文基于三区间法对设备舱结构进行随机振动疲劳分析，过程如下：计算感兴趣的应力分量的平均振动频率；基于期望(工作)寿命和平均振动频率，计算1o、2 和3 g应力水平下的循环次数n1。、n 2.和n3a;基于S一N曲线查表得到N1。、N2.和N3；计算疲劳累积损伤比。根据2.3 节的内容，已经求得设备舱结构在纵向随机振动时的1应力分布。

16、1c应力为10 6 MPa，从而得到2 应力为2 12 MPa，3 应力为3 18 MPa。根据随机振动实验标准，对结构加载的时间为5h，则期望寿命T=1.8X104s。平均振动频率+等于载荷步4 结果(1c速度)除以载荷步3 结果（1c位移）的商。由此可求得+=10 6.92 Hz。根据三区间法：1c水平的瞬时加速度作用在一1c和十1c之间的时间占6 8.3%，2 g水平的瞬时加速度作用在一2 和十2 之间的时间占27.1%,3g水平的瞬时加速度作用在一3 g和十3 之间的时间占4.3 3%。故1c、2 和3 的实际循环次数为：n1。=0.6 8 3 X+T=1.3 14 X10,n2=0.

17、271X+T=5.216105,n3a=0.0433X+T=8.333104.上述计算结果表明：介于一1s1、一2 2 和一3 g3 之间应力水平的实际循环次数分别是1.314X10、5.2 16 X10 5和8.3 3 3 10 4。在结构的随机振动疲劳分析中，可依据所需存活率P所对应的P-S-N曲线作为计算参考。P一S一N曲线的幂函数表达式为：IgNp=ap+b,lgop.其中：0 为应力；Np为存活率P的疲劳寿命；ap和bp为与存活率相关的材料常数。设备舱内仪器箱箱体结构的材料为Q345钢，电文献5 可知，在指定存活率为90%下，材料的，值Random Vibration Fatigue

18、 Simulation of High-Speed Rail Equipment Cabin(1.College of Locomotive and Rolling Stock Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.Wuhan National Laboratory forOptoelectronics,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 43oo74,China;3.School of Art,Dalian Jiaotong Universi

19、ty,Dalian116028,China)Abstract:The equipment cabin is located under the high-speed rail car,and the instrument box is installed in the equipment cabin torealize the health monitoring of the high-speed rail.,It is very necessary to study the vibration fatigue of equipment cabin withinstrument box.In

20、order to master the natural vibration characteristics of the equipment cabin,firstly,it is divided by finite elementmesh,and after applying constraints,it is imported into ANSYS to calculate the constraint modes of the model.Then,randomvibration analysis is carried out,and the required stress soluti

21、on is obtained by applying the corresponding acceleration power spectraldensity to the model according to IEC61373-2010 standard.Finally,the fatigue cumulative damage of the product structure iscalculated by using the three-interval method combined with the S-N curve,which verifies the structural sa

22、fety of the equipmentcabin and provides a guarantee for the safe operation of the high-speed rail.Keywords:high-speed train;equipment cabin;vibration fatigue;simulation机械工程与自动化Contour.Plottress(yonMises,Max,CornerData)GiobalSystemXdvancedAverage060E+02E+01858493StatioMex.Valuem32.292XIN Guo-qing,MA

23、Ying-shan,NIE Chun-ge,LI Jian,TAO Ran?2023年第5期ontour.Plotress(yonMises,Max,CornerData)obalystemdvance909F01364F818etvevalue=106.08355H018E+01599-16NoRes!Max=1.060E+02Node,85882iNin=5.5998:16Node400867Y（b）纵向激励下10 应力云图图4 各向激励下的1应力云图为3 2.3 9 3 3，bp值为一10.559 8。则设备舱在纵向最大应力处1o、2 g 和3 应力水平下的疲劳载荷循环次数为:Ni。=1

24、.0 15X10 ll,N2。=6.7 2 X10 7,N3。=9.2 9 3 X105。整体损伤计算公式如下：n1a-n20n30D：N1。N20.N30将已知参数代入式（7），计算可得D=0.097。通过以上计算，可以看到疲劳累计损伤值小于1，说明包含仪器箱的设备舱在纵向上满足疲劳强度要求；鉴于横向和垂向加速度激励下的1应力较小，所以计算纵向加速度激励下的疲劳损伤就足以说明该结构具有较好的可靠性，并且有一定的安全储备。3结论（1）本文先介绍了随机振动的基本理论，然后根据IEC61373一2 0 10 随机振动试验标准，分别对设备舱结构在垂向、横向和纵向进行了随机振动分析，得到了模型在三个方

25、向上的1。应力分布云图。（2）由随机振动所得到的分析结果得出，设备舱在纵向加速度激励下的影响最大，然后采用三区间法计算结构在该方向上的疲劳强度，结果表明包含仪器箱的设备舱在纵向上的疲劳损伤小于1，由此可推出该结构满足疲劳设计的要求，具有良好的抗疲劳特性。参考文献：1丁洪钧.某转向架牵引电机结构振动疲劳研究D.大连：大连交通大学，2 0 2 0：8-12.2国际电工委员会IEC61373一2 0 10 铁路应用-机车车辆设备-冲击和振动试验S.北京：中国铁道出版社，2 0 10：30-31.3侯岩松，马思群，张露文.某型机车牵引电机冷却风机随机振动疲劳仿真分析J.机械研究与应用，2 0 2 2，3 5（1）：121-123,128.(6)4马瑞雪，王欣，张科峰.客车骨架结构的随机振动疲劳分析J.机械研究与应用，2 0 11，2 4（1）：54-56，595机械工程材料性能数据手册编委会.机械工程材料性能数据手册M.北京：机械工业出版社，19 9 5.6王蕾.转向架构架随机振动疲劳强度分析D.大连：大连交通大学，2 0 19：7 5-7 6.Average2803609E+258E-3NoResMaX=4.909E+01SNode.85oi49Min=9.258E-13Node858i92（c）垂向激励下1o应力云图25014949.089(7)