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铁路与轨道交通 |
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基于HyperWorks的高速转向架基础制动装置 模态分析 |
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作者：同济大学 靳光磊 |
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摘要：本文以SKTB-200型高速转向架基础制动装置为研究对象，利用HyperWorks软件强大的前处理功能，建立系统的有限元模型；利用其后处理模块，分析各子结构与系统的前六阶弹性体模态频率及振型，为系统振动响应分析提供了重要的参数支撑，同时也为结构的改进设计提供了依据。
关键词：基础制动装置 有限元分析 模态分析 模态频率 HyperWorks
0概述
近年来，随着我国高速铁路的迅猛发展，人们对高速列车的运行稳定性，安全性与舒适性的要求也越来越高，因此高速转向架制动装置的可靠性就显得尤为重要。
SKTB-200型高速转向架的基础制动系统采用浮动液压卡钳式基础制动装置，如图1所示，该结构由夹钳本体，支持架与安装座三大部分组成。制动夹钳本体采用悬臂式的安装方式，结构小型，轻量，内有液压制动缸。
SKTB-200型转向架在高速运行中产生的振动通过支持架传导至夹钳本体，制动时，活塞在液压力的作用下伸出，夹钳本体沿支持销滑动，直到两侧闸片全部紧贴制动盘实施制动。
图1 SKTB-200型高速转向架基础制动装置实体模型
1系统有限元模型的建立
建立的耦合模型包括基础制动系统的各制动部件（夹钳本体、横向支持销、支持架、安装座）。按照确定的连接方式，建立子结构与系统的有限元模型。为便于更好的进行有限元模型的分析，有必要对模型进行设置与结构上的简化，比如去掉了支持架顶端的倒角，圆角，安装座上的通孔，以及支持销上的横向弹簧等，这些结构上的简化对建模和计算都非常有利。简化后的子结构及模型的材料属性定义为：弹性模量为2.1x105MPa，泊松比取0.3，密度为：7.85x10-9t/mm3。网格统一采用solid45四面体单元，单元特征角度均为45度，最小单元尺寸均采用为2mm。为了节省计算时间，在满足仿真精度要求的前提下，各子结构分别采用了不同的单元尺寸，夹钳本体为10mm，支持架与安装座为8mm，而横向支持销为承载的关键部件，故采用较为稠密的网格，尺寸为4mm。各部件子结构与系统的三维有限元模型如图2所示。
图2 各部件的三维有限元模型
由于模型的计算规模较大与计算机计算能力所限，需要进一步简化网格，将夹钳本体，安装座与支持架统一单元尺寸为10mm，而横向支持栓销的单元尺寸仍采用4mm，这样所形成的系统有限元模型如图3所示，系统共离散为91701个节点，340786个单元，其它材料参数，单元属性定义不变。
图3 基础制动系统的有限元模型
2 系统的有限元模态分析结果
根据建立的系统有限元模型，在HyperMesh软件中进行约束与载荷的建立，利用OptiStruct进行仿真分析，然后由HyperView读出结果。采用分析得到的模态参数（主要是频率和振型）来代替复杂的有限元模型。取其前12阶模态 ，前6阶为模型的刚体模态，本文略去介绍，只考虑第7～12阶的弹性体模态。
系统的结构振动感兴趣前六阶弹性体模态振型如图4所示。
图4 模型模态计算的振型图
（a） 第7阶振型；（b）第8阶振型；（c）第9阶振型；（d）第10阶振型；（e）第11阶型；（f）第12阶振型；
图4（a）与（d）中系统的第7,10阶模态振型，主要表现为夹钳本体侧向弯曲振动。
图4（b）与（c）中系统的第8，9阶模态振型，主要表现为夹钳本体绕纵向的扭转振动。
图4（e）中系统的第11阶模态振型，主要表现为夹钳本体侧向弯曲与绕纵向扭转振动。
图4（f）中系统的第12阶模态振型，主要表现为安装座的绕横向的扭转振动。
提取各子结构有限元仿真模型感兴趣的7～12阶模态频率，分析各子结构所得到的前6阶弹性体模态频率结果分别如表1，表2和表3所示。
利用HyperWorks的后处理模块仿真计算出该系统的前6阶弹性体模态频率具体见表4所示。
3结语
本文通过对SKTB-200型高速转向架基础制动装置进行有限元模态分析，得到了系统的前六阶弹性体模态频率与振型，为分析结构的动力响应和其他动力学问题提供理论依据。通过对比分析表1～4的数据，可以得出以下两点结论：
第一，由于高速转向架在以初速V=200km/h实施紧急制动的过程当中，其来自制动盘的激振频率（≤21hz），均不会与系统和子结构发生共振。
第二，整体系统的第10阶模态频率（363.5Hz）和夹钳本体的第10阶模态频率（384.35Hz）较为接近，来自制动盘的激励可能导致该基础制动装置的第10阶扭转共振。
HyperWorks 是一款优秀的有限元分析软件，通过高性能的有限元建模和后处理可以大大缩短工程分析的周期。
4参考文献
[1]李永，宋健.车辆制动系统电磁动力学与耦合控制.北京：国防工业出版社，2008
[2]张胜兰 严飞.基于HyperWorks的车架模态分析.北京：机械设计与制造（4）：10～11
[3]曾攀.有限元分析及应用.北京：清华大学出版社，2004
[4]傅志方.模态分析理论与应用.上海：上海交通大学出版社，2000(end)
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(1/29/2013) |
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