張明陽 龍章華

（中國(guó)南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，工程師）

本文所述ATC（列車自動(dòng)控制）天線支架是為地鐵車輛設(shè)計(jì)的新型結(jié)構(gòu)，作為ATC天線及輪緣潤(rùn)滑噴嘴的安裝座，安裝于轉(zhuǎn)向架端部。其結(jié)構(gòu)的可靠性和承受振動(dòng)沖擊的能力，將直接影響車輛系統(tǒng)信號(hào)接收及車輛運(yùn)行的安全，因此必須保證其強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還應(yīng)具有良好的動(dòng)力學(xué)性能。為驗(yàn)證此ATC天線支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及在車輛正常振動(dòng)和沖擊環(huán)境下承受振動(dòng)沖擊的能力，對(duì)原型支架進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算和振動(dòng)沖擊試驗(yàn)。原型支架經(jīng)計(jì)算滿足靜強(qiáng)度要求，但卻未能通過振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中發(fā)生了斷裂。

為分析原型支架發(fā)生斷裂的原因，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在改進(jìn)設(shè)計(jì)階段對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性的預(yù)測(cè)和仿真分析。HyperWorks作為高效的CAE軟件工具集前后處理與求解器于一體，功能全面、操作便捷。因此，利用HyperWorks工具對(duì)原型支架進(jìn)行了模態(tài)分析，并進(jìn)一步討論了原形支架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)途徑。經(jīng)綜合考慮之后，對(duì)原型支架進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并再次對(duì)改進(jìn)的支架進(jìn)行計(jì)算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，使之最終滿足設(shè)計(jì)要求。

1 原型支架的模態(tài)分析

1.1 模型的建立

原ATC天線支架主要由ATC天線安裝支架、輪緣潤(rùn)滑器噴嘴安裝板和筋板等3個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1 原型ATC天線支架的幾何模型

使用CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）軟件CATIA工具創(chuàng)建ATC天線支架幾何模型，然后將幾何模型導(dǎo)入HyperMesh工具進(jìn)行幾何清理，最后采用四面體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而對(duì)ATC天線支架建立了有限元模型。圖2為建立的原型支架有限元計(jì)算模型，其模型結(jié)點(diǎn)數(shù)為37 922個(gè)，單元數(shù)為155 748個(gè)。

1.2 ATC天線支架的材料屬性

ATC天線支架所用鋼板材料牌號(hào)為P355NL1，其材料參數(shù)如下：①屈服強(qiáng)度為355 MPa；②彈性模量為210GPa；③材料密度為7 850 kg／m3；④泊松比為0.3。

圖2 原型ATC天線支架的有限元計(jì)算模型

1.3 模態(tài)分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

因天線支架通過螺栓固定于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架端部，在實(shí)際運(yùn)行過程中主要承受中低頻振動(dòng)，所以較低頻率的振動(dòng)現(xiàn)象較為顯著，過高頻率的振動(dòng)對(duì)其影響可忽略不計(jì)。因此，在天線支架上端部4個(gè)螺栓孔處設(shè)定約束，鎖定全部6個(gè)自由度，使用RADIOSS求解器對(duì)天線支架模型進(jìn)行約束模態(tài)分析，采用Block Lanczos模態(tài)提取方法，僅計(jì)算前6階模態(tài)的固有頻率和相應(yīng)振型。1～6階模態(tài)頻率分析結(jié)果如表1所示。

表1 原型ATC天線支架模態(tài)分析結(jié)果

根據(jù)天線支架的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，更關(guān)注的是其1階垂彎模態(tài)，如圖3所示。

圖3 原型ATC天線支架1階模態(tài)振型云圖

從圖3中可以看出：其1階模態(tài)主要由ATC天線安裝支架的彎曲模態(tài)組成，其中支架下端部的擺動(dòng)幅度最大；支架1階垂彎模態(tài)頻率為29.1Hz，此頻率過低，并與試驗(yàn)測(cè)得低階激振頻率相接近，故在運(yùn)行過程中可能會(huì)發(fā)生共振，影響車輛系統(tǒng)信號(hào)的接收，甚至可能會(huì)導(dǎo)致支架斷裂，危及行車安全。因此，原型支架整體剛度不足，不滿足設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。擬定可行的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案有以下3種：

1）采用其它材料，增強(qiáng)支架的支持強(qiáng)度；

2）增加支架板厚，從而增強(qiáng)其整體剛度，進(jìn)而改善其模態(tài)；

3）在相應(yīng)振幅較大處設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)板，改善其整體抗振性能。

經(jīng)綜合考慮材料、成本、工藝、造型及生產(chǎn)實(shí)際等各方面因素，采用上述第3種方案較為合理。因此，在ATC天線支架縱向中間位置設(shè)置了補(bǔ)強(qiáng)板。改進(jìn)后的實(shí)體模型如圖4所示。

圖4 改進(jìn)設(shè)計(jì)的ATC天線支架幾何模型

2 改進(jìn)支架的模態(tài)分析

為具有可比性，采用和原設(shè)計(jì)方案模型相同的設(shè)置，對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行約束模態(tài)分析。模態(tài)頻率分析結(jié)果如表2所示。其1階模態(tài)優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。

表2 改進(jìn)設(shè)計(jì)的天線支架約束模態(tài)分析結(jié)果

圖5 改進(jìn)設(shè)計(jì)的ATC天線支架1階模態(tài)振型云圖

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，改進(jìn)設(shè)計(jì)的天線支架模態(tài)頻率得到顯著提高，已避開低階激振頻率，而模型質(zhì)量?jī)H增加9.3%，質(zhì)量增加仍在允許范圍之內(nèi)。

經(jīng)試驗(yàn)和裝車運(yùn)行驗(yàn)證，改進(jìn)設(shè)計(jì)的天線支架模態(tài)性能優(yōu)異，大大提高了ATC天線支架的整體剛度，明顯改善了ATC天線支架的整體振動(dòng)性能，說明此次改進(jìn)設(shè)計(jì)是成功的。試驗(yàn)照片如圖6所示。

圖6 改進(jìn)設(shè)計(jì)的ATC天線支架振動(dòng)沖擊試驗(yàn)實(shí)景圖

3 結(jié)語

通過對(duì)ATC天線支架結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析，找出了其發(fā)生斷裂的原因，并提出了3種設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。通過對(duì)所選改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的進(jìn)一步分析對(duì)比，證明所選改進(jìn)設(shè)計(jì)方案具有較好的剛度，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的改進(jìn)方案。

在結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用CAE技術(shù)可較早地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)的不足，為設(shè)計(jì)師進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并指明了改進(jìn)的方向，從而可在設(shè)計(jì)之初對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，減少了后期設(shè)計(jì)難度，因而可縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)可靠性。

［1］杜平安，于亞婷，劉建濤.有限元法——原理、建模及應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

［2］張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］李楚琳，張勝蘭，馮櫻，等.HyperWorks分析應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.