基于有限元法的列車空調(diào)箱體模態(tài)分析

曹立達(dá) 張海波

摘要：由于空調(diào)箱體在隨列車運(yùn)行過(guò)程中需承受大量振動(dòng)載荷，容易對(duì)空調(diào)箱體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，降低使用壽命，所以需對(duì)空調(diào)箱體進(jìn)行模態(tài)分析。通過(guò)模態(tài)分析可以得到空調(diào)箱體的固有頻率和模態(tài)振型。通過(guò)固有頻率的計(jì)算可以得到空調(diào)箱體在隨列車運(yùn)行過(guò)程中自身固定的頻率。通過(guò)模態(tài)振型能夠得到空調(diào)箱體結(jié)構(gòu)的整體剛度特征，預(yù)先發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的剛度薄弱區(qū)，為結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。

Abstract： Because the air conditioning box body needs to bear a lot of vibration load in the process of running with the train， it is easy to destroy the air conditioning box structure and reduce its service life， so it is necessary to carry out modal analysis on the air conditioning box body.The natural frequency and modal shape of the air conditioning box can be obtained by modal analysis， and the fixed frequency of the air conditioning box can be obtained by calculating the natural frequency.The overall stiffness characteristics of the air conditioning box structure can be obtained through the mode mode， and the weak stiffness area of the structure can be found in advance， which provides certain reference value for the optimization design of the structure scheme.

關(guān)鍵詞：空調(diào)箱體;振動(dòng)載荷;模態(tài)分析

中圖分類號(hào)：U462? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）01-0045-02

0? 引言

空調(diào)箱體作為列車的重要組成部分，隨列車運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到大量振動(dòng)，容易對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，所以需對(duì)空調(diào)箱體進(jìn)行模態(tài)分析，得到固有頻率和模態(tài)振型，為結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值。

1? 基本算法簡(jiǎn)介

動(dòng)力學(xué)問題需要考慮單元的慣性力和阻尼力等因素，整個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力微分方程為[1]：

其中[M]為質(zhì)量矩陣;[C]為阻尼矩陣;[K]為剛度矩陣;x（t）為位移矩陣;x（t）′為速度矩陣;x（t）″為加速度矩陣;F（t）為系統(tǒng)所受的外部激勵(lì)力矩陣。

考慮到阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響相比較而言甚小，故可以不予考慮阻尼的影響，由此可見，系統(tǒng)的無(wú)阻尼動(dòng)力方程可以用下式表示：

2? 空調(diào)箱體的模態(tài)分析

2.1 有限元模型的建立

既簡(jiǎn)單又準(zhǔn)確的有限元模型是空調(diào)箱體結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)，影響結(jié)構(gòu)優(yōu)化的準(zhǔn)確度。所以本文將基于有限元基本原理，對(duì)空調(diào)箱體進(jìn)行模型簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分等前處理工作，從而獲得一個(gè)準(zhǔn)確的空調(diào)箱體有限元模型。

以某型號(hào)列車空調(diào)箱體機(jī)組為研究對(duì)象，該機(jī)組為頂置一體式變頻熱泵型空調(diào)機(jī)組，主要由箱體結(jié)構(gòu)和空調(diào)組件設(shè)備所組成，空調(diào)箱體結(jié)構(gòu)主要包括底板、側(cè)板和蓋板等，箱體的總長(zhǎng)3400mm，寬1600mm，高345mm，空調(diào)機(jī)組的總質(zhì)量為660kg?？照{(diào)箱體結(jié)構(gòu)主要由1.8mm的不銹鋼板以點(diǎn)焊、鉚接、螺栓連接的方式組成的，其中與空調(diào)組件設(shè)備相連接的空調(diào)結(jié)構(gòu)板的厚度為3mm，例如壓縮機(jī)和蒸發(fā)風(fēng)機(jī)與底板的連接墊板。箱體與車體連接處一些需要加固的部件的厚度為4mm，例如吊耳及安裝座等部件。

空調(diào)箱體內(nèi)部主要由蒸發(fā)器、冷凝器、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等主要設(shè)備組成，各個(gè)空調(diào)組件的質(zhì)量參數(shù)如表1所示。

在Hypermesh仿真軟件中建立有限元模型，空調(diào)箱體內(nèi)部的壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器等主要設(shè)備以添加集中質(zhì)量點(diǎn)Mass21單元方式模擬。該空調(diào)箱體的材料為SUS404型號(hào)的鋼材，選用殼單元Shell181模擬，彈性模量為E=2.06e11pa，泊松比為μ=0.3，密度為7.85g/cm3，建立有限元模型。由于計(jì)算空調(diào)箱體的固有頻率和模態(tài)振型，所以不對(duì)空調(diào)箱體施加載荷及約束[4]。

空調(diào)機(jī)組的有限元模型如圖1所示。

2.2 空調(diào)箱體的模態(tài)分析

利用Ansys軟件對(duì)列車空調(diào)箱體進(jìn)行模態(tài)分析，由于低階模態(tài)對(duì)振動(dòng)影響較大，而高階模態(tài)對(duì)振動(dòng)影響較小，所以僅對(duì)空調(diào)箱體的前四階的固有頻率和振型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，空調(diào)箱體的前四階的固有頻率如表2所示。

空調(diào)箱體的前四階的振型圖如圖2-5所示。

3? 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算，第一階振型主要表現(xiàn)在蒸發(fā)風(fēng)扇與底板連接處，第二階振型表現(xiàn)在冷凝風(fēng)機(jī)底板處，第三階振型主要表現(xiàn)在蒸發(fā)風(fēng)扇與底板的連接處，第四階振型表現(xiàn)在壓縮機(jī)底板處，前四階固有頻率分別24.891Hz、26.548Hz、27.023Hz、30.468Hz。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的空調(diào)箱體固有頻率和模態(tài)振型，將為結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅志方. 模態(tài)分析理論與應(yīng)用[M].上海交通大學(xué)出版社， 2000.

[2]趙震.重型自卸車車架的有限元分析及優(yōu)化[D].太原：太原理工大學(xué)碩士學(xué)術(shù)論文，2012.

[3]傅志方.模態(tài)分析理論與應(yīng)用[M].上海交通大學(xué)出版社， 2000.

[4]王萌萌，邢海軍.鐵路列車空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度有限元分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，29（2）：88-92.