复兴号标准动车组高压电器箱结构强度仿真分析.pdf
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1、第 43 卷第 4 期2023 年 8 月铁 道 机 车 车 辆RAILWAY LOCOMOTIVE&CARVol.43 No.42023Aug.复兴号标准动车组高压电器箱结构强度仿真分析张东远,姜赞,杨建明,孙毅,刘海超,徐俊(北京中车赛德铁道电气科技有限公司,北京 100176)摘 要 基于复兴号标准动车组的主电路原理及车辆限界和空间要求,设计了集成多种高压电器且悬臂安装的高压电器箱,为校正和优化结构可靠性,建立高压电器箱有限元模型,进行结构模态分析和基于IEC 61373:2010 的冲击强度及振动疲劳强度分析,得出高压电器箱前 20 阶模态振型和频率、冲击振动工况下母材和焊缝的应力分布
2、以及振动疲劳工况下 3 向疲劳累计损伤情况,明确结构疲劳薄弱位置及各向加速度激励影响程度,并提出高压电器箱结构设计建议。关键词 复兴号标准动车组;高压电器箱;结构强度;有限元仿真分析;可靠性中图分类号:U266.2 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1008-7842.2023.04.09复兴号标准动车组网侧高压电器采用高压电器 箱 集 成 技 术 方 案,将 真 空 断 路 器、高 压 隔 离 开关、电压互感器、接地开关、电流互感器及避雷器等高压部件集成在封闭箱体内,能有效改善高压部件的运用环境,提高绝缘安全性1。上线运营约4 年时间,电器绝缘故障率明显降低,但相比较于高
3、压电器传统车顶分散布局而言,高压电器箱的结构可靠性具有更高要求。高压电器箱内设计既能固定高压部件,又能保 证 部 件 间 及 部 件 与 箱 体 电 器 间 隙 的 安 装 座 结构,由于高压部件悬臂装配在安装座上,动车组长期振动工况对结构强度具有较高要求。实际运用过程中,高压电器箱的局部固有模态频率与动车组相应位置的局部模态频率接近时会激起共振,严重时会导致安装结构失效,造成高压对地放电故障,影响行车安全。CR400BF 平台动车组高压电器箱内部避雷器安装座附近,在检修时发现了焊点及折弯板材裂纹,为校核和优化结构可靠性,文中对优化后的高压电器箱进行结构强度仿真分析,从高压电器箱结构模态、冲击
4、振动和振动疲劳等方面校正和预测结构强度优化效果,并提出高压电器箱结构设计建议。1 高压电器箱结构 1.1基本结构高压电器箱主要包括铝合金箱体、玻璃钢箱盖、真空断路器、接地开关、高压隔离开关、电压互感器、电流互感器、避雷器及电缆终端,如图 1 所示,高压部件采用卧式悬臂安装方式。图 1高压电器箱基本结构文章编号:1008-7842(2023)04-0053-06引用格式:张东远,姜 赞,杨建明,等.复兴号标准动车组高压电器箱结构强度仿真分析J.铁道机车车辆,2023,43(4):53-58.作者简介:张东远(1988-)男,中级工程师(修回日期:2021-04-13)铁 道 机 车 车 辆第 4
5、3 卷 1.2焊点及板材裂纹避 雷 器 安 装 座 采 用 铝 合 金 板 材 折 弯 后 焊接 的 形 式,如 图 2 所 示,材 质 为 5083-H111,板厚 =5 mm,抗 拉 强 度 Rm270 MPa,屈 服 强 度Rp0.2125 MPa2-3。设计时,避雷器安装座的折弯板材两侧与箱体框架焊接,如图 2 所示,A 位置不焊接,但实际出现裂纹的故障件中在 A 位置进行了 15 mm 的短焊缝焊接。故障件出现裂纹共有 2 个位置:多余焊接的A 位置焊点;避雷器安装座板材折弯处,如图 3所示。1.3优化方案为提高结构强度可靠性,去除多余焊点和保证板材折弯质量的同时,对避雷器安装座结构
6、进行优化如图 4 所示:板材两侧折弯圆角处分别增加加强板,并在下侧增加与折弯板材和箱体框架同时焊接的连接板。2 结构强度仿真分析 为校核优化后高压电器箱的结构安全性和可靠性,对其进行结构强度仿真分析。2.1有限元模型建模时,高压电器箱结构主要采用壳单元进行离散,螺栓采用梁单元模拟,铆钉采用 cweld 单元模拟,安装设备采用体单元模拟,骨架通过焊接方式相互连接,蒙皮以及各种设备通过铆钉与螺栓方式连接;单元尺寸主要为 4 mm,圆弧处精细化处理为 1 mm,模型中不直接构建焊缝具体形状,分析时提取位于焊趾处单元的应力作为焊缝的名义应力,以尽量避免包含焊缝结构造成的应力集中。求解时,约束与动车组车
7、顶安装接口连接螺栓孔处的六个自由度,载荷条件为冲击强度,采用惯性释放法施加冲击加速度,振动疲劳采用功率谱密度激励。整体及避雷器安装座局部的有限元模型如图 5、图 6 所示,其中,X 为箱体纵向,Y 为箱体横向,Z 为箱体垂向。图 2避雷器安装座结构图 3焊点及板材裂纹实物图图 4避雷器安装座结构优化方案图 5高压电器箱有限元分析边界条件图 6避雷器安装座局部有限元模型54第 4 期复兴号标准动车组高压电器箱结构强度仿真分析2.2材料与疲劳特性2.2.1材料特性高压电器箱箱体主要材料包括铝合金 6061-T6、6063-T5 和 5083-H111,材 料 特 性 根 据 EN 1999-1-1
8、,见表 14。2.2.2疲劳强度特性铝 材 焊 缝 的 疲 劳 特 性 按 EN 1999-1-35焊 缝S-N 曲线的置信度为 75%,存活率为 95%,各焊缝的疲劳强度见表 2。2.3工况、边界条件与标准2.3.1结构模态分析高压电器箱实际服役时是通过螺栓与动车组车顶安装接口连接,进行模态分析时,按照箱体实际的约束条件,在中间型材螺栓孔处施加固定约束,考核箱体结构固有的动态特性。2.3.2结构冲击强度分析(1)工况根据 IEC 61373:20106,高压电器箱结构承受来自车体的纵向、横向和垂向加速度载荷,冲击强度分析工况见表 3。(2)边界条件进行高压电器箱结构冲击强度分析时,约束与动车
9、组车顶安装螺栓孔处的六个自由度,在约束点施加冲击加速度,边界条件如图 5 所示。2.3.3结构振动疲劳分析(1)工况根据 IEC 61373:20106,高压电器箱结构的振动工况见表 4,如图 7 所示。(2)边界条件进行高压电器箱振动疲劳分析时,使用模态频率响应法,约束与动车组车顶安装螺栓孔处的六个自由度,在约束点施加冲击加速度功率谱,边界条件如图 5 所示。(3)验收标准根据 IEC 61373:20106,高压电器箱结构在 3个方向的加速振动试验 5 h 后,不出现疲劳裂纹,即 3 向疲劳损伤累积和小于 1。表 1高压电器箱结构的材料特性材料6061-T66063-T55083-H111
10、密度/(kgm-3)2 7002 7002 700弹性模量/MPa69 00069 00069 000泊松比0.340.340.34屈服强度/MPa母材240110125焊缝11560125表 2铝合金不同焊缝类型的疲劳强度焊缝类型角接对接搭接螺栓区母材(应力集中处)标准中的示意图接头型式28-3,440-4,323-3,456-4100-7疲劳强度(1107循环)/MPa18.82915.537.479.5表 3高压电器箱结构冲击强度分析工况工况123456加速度/g纵向+5-5/横向/+3-3/垂向+1+1+1+1+3+1-3+155铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 3 仿真分析结果 3
11、.1约束模态分析结果箱体结构前 20 阶模态振型和频率见表 5,其中,振型为避雷器安装座振动的第 20 阶模态如图 8所示。3.2冲击强度分析结果高压电器箱各工况下冲击强度分析得出的最大应力值见表 6,计算所得应力值均小于许用应力,且最大应力值均不在避雷器安装座附近,高压电器箱整体应力典型云图如图 9 所示(工况 6),证明高压电器箱冲击强度满足要求。3.3振动疲劳分析结果根据纵向(X)、横向(Y)和垂向(Z)3 向加速度激励的每秒疲劳损伤,得出 5 h 下各向的疲劳累积损伤,再对 3 向的疲劳累积损伤求和。高压电器箱结构疲劳薄弱位置为主断安装座表 4高压电器箱结构振动工况频率/Hz4.255
12、.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.00100.00110.00120.00127.00加速度激励谱/(mms-2)2Hz-1纵向(X)143 900234 000234 000104 30058 80037 70026 20019 30014 80011 7009 5007 8006 6005 900横向(Y)80 600131 000131 00058 40032 90021 10014 70010 8008 3006 5005 3004 4003 7003 300垂向(Z)327 300532 000532 000237 100133 600
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