主 变 压 器 风 道 的 谐 响 应 分 析 孙 维 光 田 爱 琴 南 车 青 岛 四 方 机 车 车 辆 股 份 有 限 公 司 技 术 中 心 青 岛 266111 摘 要 : 采 用 HyperWorks 对 主 变 压 器 风 道 进 行 模 态 与 谐 响 应 分 析, 得 出 了 主 变 压 器 风 道 的 位 移 与 应 力 - 时 间 响 应 值 ; 发 现 主 变 压 器 风 道 的 一 阶 垂 向 弯 曲 振 型 使 风 道 底 板 产 生 较 大 应 力, 是 导 致 主 变 压 器 风 道 产 生 局 部 裂 纹 的 根 源 ; 根 据 仿 真 结 果, 通 过 改 进 主 变 压 器 风 道 的 刚 度 分 布, 使 主 变 压 器 风 道 的 一 阶 垂 向 弯 曲 固 有 频 率 远 离 车 体 的 垂 向 加 速 度 振 动 频 率, 以 避 免 风 道 产 生 共 振 现 象 关 键 词 : 主 变 压 器 风 道, 模 态 振 型, 谐 响 应 0 引 言 主 变 压 器 风 道 的 振 动 特 性 一 直 是 研 究 人 员 比 较 关 注 的 问 题 轨 道 列 车 在 高 速 运 行 过 程 中, 轨 道 的 不 平 顺 及 列 车 运 行 速 度 的 变 化 引 起 车 体 随 机 的 振 动 [1], 车 体 将 振 动 能 量 传 递 到 主 变 压 器 风 道 后, 其 垂 向 加 速 度 激 励 频 率 的 频 谱 比 较 宽, 主 变 压 器 风 道 在 使 用 过 程 中 承 受 具 有 不 同 激 励 频 率 的 垂 向 加 速 度 载 荷, 对 于 垂 向 加 速 度 激 励 频 率 是 否 与 主 变 压 器 风 道 固 有 频 率 相 近 或 者 相 同, 而 引 起 主 变 压 器 风 道 产 生 共 振, 产 生 过 大 的 应 力, 导 致 风 道 产 生 局 部 裂 纹 并 进 一 步 扩 展 而 导 致 断 裂, 这 方 面 研 究 在 国 内 外 还 是 较 少 的 本 工 作 从 某 轨 道 列 车 主 变 压 器 风 道 的 振 动 加 速 度 频 率 试 验 数 据 并 结 合 仿 真 分 析, 从 理 论 角 度 揭 示 主 变 压 器 风 道 的 振 动 特 性, 并 提 出 风 道 的 改 进 方 案, 为 主 变 压 器 风 道 的 结 构 参 数 优 化 提 供 了 理 论 依 据 谐 响 应 分 析 是 用 于 确 定 线 性 结 构 在 承 受 随 时 间 按 正 弦 规 律 变 化 的 载 荷 时 的 稳 态 响 应 的 一 种 技 术 分 析 的 目 的 是 计 算 出 结 构 在 几 种 频 率 下 的 响 应, 并 得 到 一 些 位 移 ( 应 力 ) 与 频 率 的 关 系 曲 线, 使 设 计 人 员 能 预 测 结 构 的 模 态 参 数 ( 固 有 频 率 和 模 态 振 型 ), 从 而 能 够 验 证 其 设 计 能 否 成 功 地 克 服 共 振 疲 劳 及 其 它 受 迫 振 动 引 起 的 有 害 效 果 通 过 对 主 变 压 器 风 道 进 行 谐 响 应 分 析, 得 出 其 在 多 种 频 率 激 励 下 的 振 动 幅 值 响 应, 对 于 预 测 主 变 压 器 风 道 在 工 作 状 态 下 是 否 发 生 共 振 提 供 了 理 论 依 据, 因 此 具 有 实 际 应 用 价 值 1 主 变 压 器 风 道 的 有 限 元 模 型 通 过 PRO/E 软 件 建 立 主 变 压 器 风 道 的 实 体 模 型, 其 分 布 质 量 与 实 际 一 致 所 建 立 的 模 型 简 化 了 原 有 风 道 模 型 的 某 些 细 节 特 征, 以 提 高 随 后 有 限 元 前 后 处 理 和 求 解 的 效 率 简 化 模
型 的 一 般 原 则 是 在 保 证 原 有 结 构 力 学 性 能 不 发 生 改 变 的 前 提 下, 对 于 非 关 键 区 域 的 特 征 以 及 通 过 试 算 而 获 得 分 析 对 象 的 整 体 应 力 场 分 布 中 应 力 水 平 较 低 的 部 件, 可 以 予 以 忽 略 将 主 变 [2] 压 器 风 道 三 维 模 型 导 入 HyperMesh 划 分 网 格 并 利 用 RADIOSS 求 解 器 进 行 计 算 主 变 压 器 风 道 网 格 模 型 采 用 四 节 点 四 边 形 单 元 划 分 后 的 网 格 单 元 数 是 56466 个, 节 点 数 是 55580 个, 有 限 元 模 型 如 图 1 所 示 主 变 压 器 风 道 有 限 元 模 型 建 立 后, 给 模 型 设 定 材 料 参 数 和 物 理 特 性, 其 材 料 及 力 学 性 能 参 数 如 表 1 所 示 [4] 表 1 材 料 属 性 零 件 名 称 材 料 密 度 弹 性 模 量 泊 松 比 许 用 应 力 抗 拉 强 度 重 量 风 道 A5083P-O 2720kg m -3 69GPa 0.31 125MPa 275MPa 19Kg 2 模 态 分 析 模 态 分 析 是 用 于 确 定 一 个 结 构 的 振 动 特 性 或 机 械 的 振 动 特 性 ( 即 固 有 频 率 和 振 型 ) 模 态 分 析 中 仅 需 考 虑 施 加 0 位 移 的 DOF 约 束, 其 余 边 界 条 件 和 载 荷 均 会 被 忽 略 主 变 压 器 风 道 悬 挂 在 底 架 横 梁 上, 分 别 约 束 风 道 悬 挂 点 的 三 个 平 动 及 转 动 自 由 度, 选 用 分 块 兰 索 斯 法 计 算 并 提 取 风 道 前 6 阶 模 态 完 成 分 析 后, 提 取 的 主 变 压 器 风 道 前 6 阶 模 态 见 表 2, 主 变 压 器 风 道 一 阶 垂 弯 振 型 如 图 2 所 示 图 1 主 变 压 器 风 道 的 有 限 元 模 型 表 2 主 变 压 器 风 道 前 6 阶 模 态 第 一 阶 模 态 第 二 阶 模 态 第 三 阶 模 态 第 四 阶 模 态 第 五 阶 模 态 第 六 阶 模 态 27.2 HZ 36.8 HZ 52.5 HZ 65.4 HZ 76.5 HZ 89.1 HZ
图 2 一 阶 垂 向 弯 曲 振 型 ( 底 板 ) 风 道 第 一 阶 为 纵 向 一 阶 摆 振 振 型, 风 道 第 二 阶 为 一 阶 垂 向 弯 曲 振 动 模 态 ( 底 板 ), 风 道 第 三 阶 为 一 阶 垂 向 弯 曲 振 动 模 态 ( 顶 板 ), 风 道 第 四 阶 为 一 阶 扭 转 振 动 模 态, 风 道 第 五 阶 为 二 阶 横 向 垂 向 弯 曲 振 动 模 态 ( 底 板 ), 风 道 第 六 阶 为 二 阶 纵 向 垂 向 弯 曲 振 动 模 态 ( 底 板 ) 从 风 道 一 阶 垂 弯 振 型 可 以 看 出, 风 道 底 板 是 振 动 敏 感 区 域 依 据 某 轨 道 列 车 模 态 及 振 动 测 试 试 验, 主 变 压 器 风 道 垂 向 加 速 度 激 励 频 率 如 图 3 所 示 图 3 主 变 压 器 风 道 垂 向 加 速 度 激 励 频 率 从 图 3 可 以 看 出, 风 道 的 一 阶 垂 向 弯 曲 固 有 频 率 36.8HZ 与 该 风 道 垂 向 加 速 度 振 动 能 量 的 主 频 37.9 HZ 极 为 接 近 在 轨 道 列 车 在 高 速 运 行 过 程 中, 主 变 压 器 风 道 受 到 车 体 传 递 的 垂 向 加 速 度 振 动 能 量 激 振, 风 道 底 板 产 生 共 振 并 表 现 为 弯 曲 振 型, 共 振 产 生 的 弯 曲 应 力 被 放 大 数 倍, 易 导 致 风 道 底 板 产 生 局 部 裂 纹, 在 长 期 运 用 中 裂 纹 逐 渐 扩 展, 直 到 断 裂
3 主 变 压 器 风 道 的 谐 响 应 分 析 通 过 主 变 压 器 风 道 的 模 态 分 析, 对 其 施 加 垂 向 加 速 度 激 励 载 荷 和 载 荷 步 ( 包 括 谐 响 应 分 析 的 频 率 范 围 载 荷 子 步 数 ) 后 进 行 谐 响 应 分 析 其 中, 参 照 文 献 [3], 吊 挂 设 备 最 大 垂 向 加 速 度 为 0.3g, 则 风 道 自 身 振 动 加 速 度 引 起 的 激 励 载 荷 为 19Kg 1.3g=247N; 谐 响 应 的 频 率 范 围 0~100HZ, 载 荷 子 步 为 100 步 ; 考 虑 到 风 道 自 身 阻 尼 效 应, 根 据 某 轨 道 列 车 模 态 及 振 动 测 试 试 验, 风 道 的 比 例 阻 尼 系 数 为 0.042 当 主 变 压 器 风 道 垂 直 加 速 度 载 荷 频 率 为 36.8HZ 时, 其 激 励 频 率 与 主 变 压 器 风 道 一 阶 垂 向 弯 曲 固 有 频 率 37.9HZ 极 为 接 近, 导 致 风 道 底 板 产 生 共 振, 其 共 振 时 的 应 力 云 图 如 图 4 所 示 从 图 4 可 以 看 出, 风 道 底 板 的 最 大 应 力 为 134MPa, 其 节 点 编 号 为 34833 提 取 节 点 34833 号 的 应 力 - 频 率 的 谐 响 应 曲 线, 如 图 5 所 示 由 节 点 的 谐 响 应 曲 线 知, 此 节 点 分 别 在 频 率 36.8HZ 及 76.5HZ 时 会 发 生 共 振 节 点 的 谐 响 应 曲 线 对 应 了 2 个 峰 值, 其 中 以 第 1 个 动 频 峰 值 对 应 的 峰 值 最 大, 其 应 力 也 最 大 由 于 风 道 的 激 励 载 荷 主 要 是 垂 向 加 速 度 载 荷, 因 此 风 道 共 振 振 型 主 要 表 现 为 垂 向 弯 曲 振 型, 即 共 振 频 率 分 别 在 36.8HZ 与 76.5HZ 附 近 图 4 主 变 压 器 风 道 共 振 时 的 等 效 应 力 分 布 图 (36.8HZ) 图 5 主 变 压 器 风 道 共 振 时 的 应 力 曲 线 (Node:34833)
当 主 变 压 风 道 共 振 时, 风 道 底 板 外 缘 中 部 应 力 较 高, 是 产 生 局 部 裂 纹 的 高 危 区, 其 应 力 为 134Mpa, 超 出 材 料 的 许 用 应 力 125MPa 主 变 压 器 风 道 长 期 在 共 振 频 率 36.8HZ 下 工 作, 易 导 致 风 道 底 板 裂 纹 从 上 述 分 析 可 以 看 出, 主 变 压 器 风 道 的 仿 真 分 析 与 试 验 结 果 是 一 致 的 为 使 主 变 压 器 风 道 一 阶 垂 向 弯 曲 固 有 频 率 避 开 车 体 的 垂 向 加 速 度 振 动 频 率 36.8HZ, 以 改 善 主 变 压 器 风 道 的 刚 度 分 布, 将 主 变 压 器 风 道 出 风 口 处 的 L 型 型 材 改 为 口 字 型 型 材, 并 在 第 一 道 型 材 附 近 再 增 加 一 道 相 同 型 材 利 用 RADIOSS 求 解 新 结 构 风 道 模 态, 计 算 其 固 有 频 率, 将 风 道 原 结 构 与 新 结 构 的 模 态 统 计 如 表 3 所 示 表 3 风 道 模 态 对 比 阶 数 振 型 原 结 构 频 率 阶 数 振 型 新 结 构 频 率 1 纵 向 摆 振 27.2 HZ 1 纵 向 摆 振 30.35 HZ 2 垂 向 弯 曲 36.8 HZ 2 菱 形 56.4 HZ 3 垂 向 弯 曲 52.5 HZ 3 垂 向 弯 曲 74.7 HZ 4 扭 转 65.4 HZ 4 垂 向 弯 曲 87.5 HZ 5 横 向 与 垂 向 弯 曲 76.5 HZ 5 扭 转 与 垂 向 弯 曲 101.85 HZ 6 横 向 与 垂 向 弯 曲 89.1 HZ 6 垂 向 弯 曲 123.53 HZ 从 表 3 可 以 看 出, 风 道 ( 新 结 构 方 案 ) 的 固 有 频 率 有 了 明 显 提 高, 避 开 了 车 体 的 垂 向 加 速 度 振 动 频 率, 且 第 二 阶 振 型 已 经 变 为 菱 形 振 型, 避 免 了 风 道 发 生 共 振 现 象 4 结 论 (1) 主 变 压 器 风 道 的 一 阶 垂 向 弯 曲 固 有 频 率 36.8HZ 与 该 风 道 垂 向 加 速 度 振 动 能 量 的 主 频 37.9 Hz 极 为 接 近, 风 道 底 板 产 生 共 振 并 表 现 为 弯 曲 振 型 (2) 通 过 RADIOSS 对 风 道 进 行 谐 响 应 分 析, 得 到 了 主 变 压 器 风 道 底 板 的 位 移 与 应 力 当 风 道 共 振 时, 风 道 应 力 被 放 大 好 多 倍, 应 力 值 为 134MPa, 超 出 其 材 料 的 许 用 应 力 125MPa, 易 导 致 风 道 底 板 产 生 局 部 裂 纹 (3) 通 过 改 善 主 变 压 器 风 道 的 刚 度 分 布, 使 风 道 的 固 有 频 率 远 离 车 体 振 动 频 率, 避 免 了 风 道 共 振 现 象, 提 高 了 风 道 的 寿 命 5 参 考 文 献 [1] 廖 炳 荣. 基 于 多 体 动 力 学 和 有 限 元 法 的 机 车 车 体 结 构 疲 劳 仿 真 研 究 [D]. 成 都 : 西 南 交 通 大 学,2006:64-65. [2] 李 楚 林, 张 胜 兰 等.HyperWorks 分 析 应 用 实 例 [M]. 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社,2008:29-57. [3] JIS E7106:2006, 铁 路 机 车 车 辆 客 车 结 构 体 设 计 一 般 要 求 [S].
The Harmonic Response Analysis of Main Transformer Air Duct Sun Weiguang Tian Aiqin Abstract:The mode and harmonic response analysis of main transformer air duct are obtained by using HyperWorks, by which the time response values of displacement and stress of main transformer air duct are obtained, the simulation data are consistent to test basically. The simulation analysis opens out the rootstock of fatigue crack of main transformer air duct owing to the biggish stress by the one step perpendicularity direction bend model of main transformer air duct. The stiffness distributing of main transformer air duct is ameliorated by simulation analysis, by which the one step perpendicularity direction bend model of main transformer air duct be apart from the perpendicularity direction acceleration vibration frequency of bodywork in order to avoid the resonance of air duct. Key words:main transformer air duct;model shape;harmonic response