某城轨车辆辅助电源装置结构强度及模态分析*

刘金鑫，刘 奎，杨春宇，魏 兴，马 龙，闫莉莹

(1.西安中车永电捷通电气有限公司，陕西 西安 710016； 2.中车大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116021)

0 引 言

辅助电源装置作为城轨列车空调、换气、照明等设备提供电能的装置，安装于车体底架梁上，其结构强度及刚度特性直接影响列车的行车安全。随着城轨车辆朝着集成化、轻量化的方向发展，对车下设备的结构强度及刚度特性提出了更高的要求。EN12663-1:2010《铁路应用-铁道车辆的结构要求》中提出，车体及其相关车下设备在设计过程中需进行结构强度及刚度的分析和试验，以此确认结构的强度及刚度特性，保证设备最终通过相关验证。鉴于此，黄磊杰等[1]对优化后的牵引辅助变流器的结构静强度和模态进行了仿真分析。周博等[2]采用EN12663-1:2010的载荷条件对逆变器的吊装结构进行了校核。张文威等[3]基于EN 12663 -1:2010标准对变流器的柜体结构强度进行了分析，采用FKM标准和VDI2230准则对柜体的焊缝和螺栓进行疲劳强度校核。王艳丽等[4]从轨道客车车体静强度分析与试验的角度说明了EN12663-1标准的应用范围和对设计改进的指导作用，崔元虎等[5]对西安2号线永磁牵引逆变器进行了模态和静强度分析，提出车下设备最低阶固有频率高于30 Hz时可避免与车体发生共振。

笔者以某城轨车辆辅助电源装置为研究对象，利用EN12663-1:2010标准规定的载荷条件对建立的辅助电源装置虚拟样机进行结构强度和模态仿真分析，通过实物样机试验对其结构强度进行验证，得到的研究结果可为城轨车辆辅助电源装置及相关车下设备的结构设计提供借鉴。

1 辅助电源装置结构有限元仿真模型

1.1 辅助电源装置结构布局

图1所示为辅助电源装置结构示意图。

图1 辅助电源装置结构示意图(顶板隐藏后视图)

辅助电源装置总质量为1 487 kg，内部主要电气部件有功率模块、电抗器、滤波电容、接触器组件、滤波器、预充电组件、风机、控制单元等。箱体结构由2 mm、3 mm、5 mm不同厚度的不锈钢(06Cr19Ni10)钣金件组焊形成。06Cr19Ni10的力学性能参数见表1，其中，E为弹性模量，σs为屈服强度，σb为抗拉强度，σ1为母材的疲劳强度，σ2为焊缝的疲劳强度。

表1 06Cr19Ni10力学性能参数[6] /MPa

1.2 辅助电源装置有限元仿真模型

图2所示为利用ANSYS WorkBench软件建立的辅助电源装置有限元仿真模型。箱体结构采用10 mm壳单元进行离散，内部电子元器件使用刚性质量点等效，焊点采用Weld连接进行模拟。最终形成的有限元网格数量为183 680个，节点数为216 950个。

图2 辅助电源装置有限元仿真模型

2 辅助电源装置结构强度仿真分析

2.1 结构静强度仿真分析

静强度分析的目的是为了找到结构安全系数较低的部位，以便指导结构的设计改进，同时积累主动性经验数据，为类似结构设计提供参考，避免重复性、普遍性的应力问题发生。

表2所列为依据EN12663-1:2010标准规定的P-Ⅲ类设备纵向、横向、垂向组合静载荷工，g为重力加速度，竖直向上为正向，取值为-9.81 m/s2[7]。

表2 EN12663-1:2010中P-Ⅲ类静载荷工况

EN12663-1:2010标准对车下设备结构静强度按照U=RdS/RL≤1进行校核。其中，U为利用率；Rd为计算或测试应力值，MPa；RL为材料屈服应力，MPa；S为屈服强度对应安全系数，取值为1.15。

按照表2中的六种工况仿真计算后，分别得到六种静载荷工况下各自的等效应力最大值及利用率如表3所列。

表3 静载荷1～6工况下最大等效应力计算结果

由表3数据可知，六种工况中，工况5的等效应力取值最大，其值为159.2 MPa，利用率为0.89，对应的最大等效应力位置见图3。

图3 静载荷六种工况下最大等效应力云图

2.2 结构疲劳强度仿真分析

表4所列为依据EN12663-1:2010标准规定的P-Ⅲ类设备纵向、横向、垂向组合疲劳载荷工况。

表4 疲劳载荷工况 /g

按照表4中的八种疲劳载荷工况分别加载计算后得到辅助电源装置的等效应力最大值如表5所列。

由表5数据可知，八种工况中，辅助电源装置在工况3下的疲劳应力最大，由图4可知，最大应力值出现在PU安装孔母材处，其值为80.2 MPa，该值小于母材的疲劳应力177 MPa。

表5 疲劳载荷1～8工况下最大应力 /MPa

图4 疲劳载荷八种工况下最大等效应力云图

通过结构静强度及疲劳强度仿真计算结果可知，辅助电源装置的结构强度满足设计要求。

3 辅助电源装置模态仿真分析

模态分析是研究结构振动特性及刚度性能的重要方法，其目的是识别系统的固有振动特性。EN12663-1:2010要求在所有工作状态下，车体相关附属设备的固有振动模态应该与车体的自振模态隔离，以避免出现共振现象。

利用ANSYS WorkBench软件对建立的有限元仿真模型进行模态分析,仿真计算后得到该辅助电源装置的前6阶固有频率如表6所列。

表6 辅助电源装置前6阶固有频率(ω0) /Hz

由表6数据可知，该辅助电源装置的最低阶固有频率为47.4 Hz，大于设计限值30 Hz，1阶模态振型如图5所示，表现为PU腔室底板的垂向振动。

图5 辅助电源装置1阶模态云图

4 试验验证

为进一步验证仿真计算结果，对辅助电源装置实物样机按照标准EN12663-1:2010进行样机试验，图6所示为辅助电源装置样机试验图。

图6 辅助电源装置样机试验图

试验过程中辅助电源装置未出现共振、箱体结构的永久损伤、焊缝开裂、螺栓松脱等现象，试验顺利通过，由此说明了该辅助电源装置的结构满足强度和刚度设计要求，同时也验证了仿真计算结果的有效性。

5 结 语

依据EN12663-1:2010标准，采用有限元仿真的方法对辅助电源装置进行了结构强度和模态分析，利用实物样机进行了验证试验，仿真与试验结果表明该辅助电源装置的强度及刚度满足设计要求。这一研究结果为城轨车辆辅助电源装置及相关车下设备的结构设计提供了参考。