風(fēng)笛安裝支架隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析及優(yōu)化

劉元君

摘要：風(fēng)笛是提供軌道交通聽覺信號(hào)的裝備，通過風(fēng)笛安裝支架安裝于車下，安裝支架需要保證在車輛運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)載荷作用下不破壞。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61373提供的標(biāo)準(zhǔn)隨機(jī)振動(dòng)載荷譜對(duì)設(shè)計(jì)的風(fēng)笛安裝支架進(jìn)行疲勞壽命的評(píng)估，結(jié)果表明初始設(shè)計(jì)方案雖滿足標(biāo)準(zhǔn)要求但安全系數(shù)不大，對(duì)安裝支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后安全系數(shù)大幅提高。

關(guān)鍵詞：風(fēng)笛支架;隨機(jī)振動(dòng);疲勞;優(yōu)化

1? 概述

隨機(jī)振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)累計(jì)疲勞損傷現(xiàn)象普遍存在，軌道交通方面有關(guān)隨機(jī)振動(dòng)疲勞的標(biāo)準(zhǔn)有IEC61373、MIT-STD-810等，盡管各零部件在結(jié)構(gòu)、材料、運(yùn)營環(huán)境等方面都不相同，但這些標(biāo)準(zhǔn)作為通用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)零部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化仍然有重要的參考意義。

隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析首先需要通過試驗(yàn)或者有限元仿真得到獲得結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力或應(yīng)變響應(yīng)結(jié)果，然后基于時(shí)域或頻域法建立合適的振動(dòng)疲勞壽命預(yù)測模型，最后結(jié)合材料疲勞特性（通常是冪函數(shù)型S-N曲線）及Miner線性疲勞累積損傷理論得到結(jié)構(gòu)的累積損傷，進(jìn)而得到疲勞壽命值。

采用頻域方法求解隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命，在計(jì)算效率方面比時(shí)域法有很大的優(yōu)勢，其關(guān)鍵是將結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)功率譜密度函數(shù)轉(zhuǎn)化為應(yīng)力幅值的概率密度函數(shù)。

2? 風(fēng)笛支架設(shè)計(jì)和優(yōu)化

2.1 幾何模型

風(fēng)笛是提供軌道交通聽覺信號(hào)的裝備，安裝于頭車車下前端。風(fēng)笛重約4.4Kg，靠風(fēng)笛安裝支架與車體橫梁連接，其重心在支架的安裝孔中心向前40mm向下80mm的位置。

風(fēng)笛安裝支架的設(shè)計(jì)，不但需要保證與車體的連接可靠，更需要保證在車輛運(yùn)行過程中，在輪軌激勵(lì)引起的振動(dòng)載荷作用下不破壞。根據(jù)相關(guān)參數(shù)，風(fēng)笛支架初始設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2.2 有限元模型

根據(jù)風(fēng)笛支架的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和安裝橫梁尺寸建立幾何模型，對(duì)橫梁和支架的幾何模型進(jìn)行離散。模型采用二階六面體單元，單元大小為3mm，共劃分1.8萬單元，11.9萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，圖2是風(fēng)笛支架初始設(shè)計(jì)方案幾何模型，圖3是風(fēng)笛支架有限元模型。

2.3 材料屬性

支架材料選用不銹鋼06Cr9Ni，材料屬性如表1所示。

2.4 基于模態(tài)的穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)分析

基于模態(tài)的穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法，是用模態(tài)疊加法求解系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。先通過模態(tài)分析，計(jì)算系統(tǒng)的特征模態(tài)，再通過變換得到一組用模態(tài)坐標(biāo)表示的單自由度運(yùn)動(dòng)方程。求解各個(gè)單自由度運(yùn)動(dòng)方程得到系統(tǒng)在模態(tài)坐標(biāo)下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)后，通過變換最后獲得系統(tǒng)在物理坐標(biāo)下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

首先在ABAQUS軟件中進(jìn)行風(fēng)笛的模態(tài)分析，將風(fēng)笛簡化為質(zhì)量點(diǎn)，按其重心的相對(duì)位置做RBE2耦合，約束橫梁的兩端六個(gè)自由度，計(jì)算結(jié)構(gòu)在500Hz內(nèi)的各階模態(tài)。然后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于模態(tài)的穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)分析，計(jì)算橫向、縱向、垂向三個(gè)方向500Hz內(nèi)諧波激勵(lì)響應(yīng)的基于頻域的振幅和相位。

2.5 功率譜密度確定

功率譜密度是結(jié)構(gòu)在隨機(jī)動(dòng)態(tài)載荷激勵(lì)下響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)IEC61373-2010中根據(jù)零部件在車輛的安裝位置以及零部件的質(zhì)量，將零部件的長壽命測試所需施加的功率譜密度分為1類A、1類B、2類和3類等共4級(jí)，風(fēng)笛是安裝于車體的設(shè)備，且小于500Kg，根據(jù)IEC61373-2010規(guī)定屬于1類A設(shè)備，所以取x=0.532（m/s2）2/Hz，f1=5Hz，f2=150Hz。圖4是標(biāo)準(zhǔn)加速度功率譜密度曲線。

2.6 疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)和優(yōu)化

根據(jù)確定的加速度功率譜密度加載，算法用Dirlik函數(shù)，在Fesafe軟件中把模態(tài)分析結(jié)果和基于模態(tài)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果導(dǎo)入，完成疲勞壽命分析，計(jì)算結(jié)果顯示，垂向隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命最小，為5.54小時(shí)，可以滿足IEC61373-2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5小時(shí)長壽命隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)要求。圖5是初始設(shè)計(jì)方案垂向隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命云圖。

支架的壽命最低點(diǎn)是拐角的焊縫區(qū)域，考慮到焊縫區(qū)域可能存在一定的不確定性，以及實(shí)際運(yùn)行線路風(fēng)阻較大等客觀因素，決定對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。為降低拐角區(qū)域應(yīng)力，將支架橫跨到兩個(gè)橫梁上，避免支架的懸臂結(jié)構(gòu)而造成的應(yīng)力集中。圖6是風(fēng)笛支架優(yōu)化方案，對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算，圖7是風(fēng)笛支架優(yōu)化方案有限元模型，圖8是風(fēng)笛支架優(yōu)化方案垂向隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命云圖，可以看出，優(yōu)化方案的疲勞壽命大幅提高。

3? 結(jié)論

通過對(duì)風(fēng)笛安裝支架初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但考慮到線路運(yùn)行情況對(duì)其優(yōu)化，優(yōu)化后安全系數(shù)大幅提升。根據(jù)IEC61373提供的標(biāo)準(zhǔn)隨機(jī)振動(dòng)載荷譜，用Fesafe軟件進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估，可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有效的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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