CN105183976A - 一种对车载柜体进行有限元分析的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对车载柜体进行有限元分析的方法，其包括：将在车载柜体的物理模型中采用螺栓相互连接的骨架和安装器件分割开来；对骨架和安装器件分别进行几何清理和网格划分；将骨架和安装器件拼接起来以重新组装成车载柜体；设置边界条件和载荷以建立有限元分析模型，求解有限元分析模型。将骨架和安装器件分别进行几何清理和网格划分可以极大减小该步骤对计算机资源的占用，减小了技术人员在众多元件中划分网格的难度，大大提高了车载柜体有限元分析的效率。同时，由于车载柜体的物理模型被拆分成多个部分，可以让多个技术人员同时进行网格划分来缩短网格划分的时间。

Description

一种对车载柜体进行有限元分析的方法

技术领域

本发明涉及一种对车载柜体进行有限元分析的方法。

背景技术

车载柜体是实现轨道车辆正常运行的重要部件，目前轨道车辆上安装的车载柜体主要有：机车领域的牵引车载柜体、辅助车载柜体、硅机组、列车供电柜等；动车领域的牵引车载柜体、辅助车载柜体、辅助电源装置、充电机等；城轨领域的牵引逆变器、高压电器箱、制动电阻、辅助电源、扩展供电箱、辅助高压箱等。

车载柜体的可靠性直接影响列车电子系统的可靠性，进而影响行车安全。在设计完车载柜体的模型后，通常需要对该模型进行有限元分析来获得依据该模型制作出的车载柜体的结构强度和抗疲劳能力。再根据获得的结构强度和抗疲劳能力来评价该车载柜体的可靠性。

依据现有对车载柜体的有限元分析的方法获得的结论并不太准确，并且对车载柜体的有限元分析的效率低下，严重拖慢车载柜体的设计进度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是对车载柜体的有限元分析的效率低下，严重拖慢车载柜体的设计进度。

针对上述技术问题本发明提出了一种对车载柜体进行有限元分析的方法，其包括：将在车载柜体的物理模型中采用螺栓相互连接的骨架和安装器件分割开来；对骨架和安装器件分别进行几何清理和网格划分；将骨架和安装器件拼接起来以重新组装成车载柜体；设置边界条件和载荷以建立有限元分析模型，求解有限元分析模型。

在一个具体的实施例中，在车载柜体的物理模型中分割出骨架后，还将骨架分割成多个部分，然后对骨架的各个部分分别进行几何清理和网格划分。

在一个具体的实施例中，在对骨架进行分割时，骨架上的分割面不经过各个连接处。

在一个具体的实施例中，在骨架上的分割面不经过以铆钉的轴线为轴线、直径为两倍于铆钉直径的圆柱区域。

在一个具体的实施例中，在骨架上的分割面不经过以螺钉的轴线为轴线、直径为两倍于螺钉直径的圆柱区域。

在一个具体的实施例中，骨架的其中一个连接处采用分段焊接，分割面从其中相邻两段焊缝之间的缝隙穿过。

在一个具体的实施例中，分割面从缝隙的中部穿过。

在一个具体的实施例中，网格划分后，靠近连接处附近区域的网格密度大于远离连接处区域的网格密度。

在一个具体的实施例中，重新组装成车载柜体时，在骨架和安装器件的连接处创建螺栓。

在一个具体的实施例中，求解有限元分析模型包括对有限元分析模进行静力分析、模态分析、瞬态动力学分析和/或随机振动疲劳分析。

先将车载柜体的物理模型先拆分成骨架和安装器件，然后对骨架和安装器件分别进行几何清理和网格划分，最后将骨架和安装器件重新组成形成车载柜体。将骨架和安装器件分别进行几何清理和网格划分可以极大减小该步骤对计算机资源的占用，减小了技术人员在众多元件中划分网格的难度，大大提高了车载柜体有限元分析的效率。同时，由于车载柜体的物理模型被拆分成多个部分，可以让多个技术人员同时进行网格划分来缩短网格划分的时间。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了本发明的实施例中的对车载柜体进行有限元分析的方法的流程。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1显示了在实施例中的对车载柜体进行有限元分析的方法的流程。在本实施例中，本方法基于HyperMesh实施。该对车载柜体进行有限元分析的方法包括以下步骤：

S10：将在车载柜体的物理模型中仅采用螺栓相互连接的骨架和安装器件分割开来。

车载柜体通常包括骨架、螺栓、安装器件和门组件。骨架在车载柜体中起支承作用。螺栓将安装器件固定在骨架上。骨架为箱壳式结构，通常由钣金件组成。骨架包括多根横梁、多根立柱和多块箱板。多根横梁和多根立柱搭建成框架结构，箱板从外侧覆盖在相邻的两根横梁和/或相邻的两根立柱之间形成骨架的侧壁。优选地，框架结构为大致为立方体边框结构。骨架的各个部分一般采用焊接或铆接连接在一起。例如，横梁和立柱采用类似于角钢或槽钢的长条结构，箱板为平板。横梁和立柱之间的连接采用焊接，箱板与横梁或立柱之间的连接采用铆接。门组件通过门锁、螺栓固定在骨架上。安装器件为与骨架之间采用螺栓连接的器件。安装器件可以是变压器、电抗器、逆变器模块、变流器模块、滤波器、EMI滤波器、电流传感器、风冷风扇、电容、接触器、电压传感器中的一种或多种。

S20：将骨架分割成多个部分，骨架上的分割面不经过各个连接处。

连接处为车载柜体中的两个元件之间进行相互焊接、铆接或螺栓连接的位置。为减少焊接变形，车载柜体上的焊接通常为分段焊接，分割面可以从相邻两段焊缝之间穿过。优选地，分割面从相邻两段焊缝之间的缝隙的中部穿过。分割面通常需要远离铆接和螺栓连接的位置，优选地，在骨架上分割面不切过以铆钉的轴线为轴线、直径为两倍于铆钉直径且贯穿骨架的圆柱区域。优选地，在骨架上分割面不切过以螺钉的轴线为轴线、直径为两倍于螺钉直径且贯穿骨架的圆柱区域。由于分布于弹性体上一小块面积(或体积)内的载荷所引起的物体中的应力，在离载荷作用区稍远的地方，基本上只同载荷的合力和合力矩有关，载荷的具体分布只影响载荷作用区附近的应力分布，由此，这样分割不会影响有限元分析的结果。优选地，沿骨架的长度方向将骨架等分成两个部分。

步骤S10和步骤S20还可以采用有限元分析的前处理软件实施。有限元前处理软件可以是ANSA、MSC.PATRAN或AbaqusCAE。步骤S10和步骤S20也可以采用该三维设计软件实施。该三维设计软件可以是Pro/E或CATIA。

S30：将骨架的每一部分作为一组待处理模型，全部安装器件单独为一组待处理模型。对每一组待处理模型分别进行几何清理和网格划分。

在对每组待处理模型几何清理的过程中，删除对结构分析只产生局部较小影响的细节特征。例如，删除低应力区的倒角、圆角和局部小孔等特征。进行几何清理可以有效地创建大的几何面，有利于在后续步骤中提高网格划分的质量。高应力区的细节特征则不能被删除，例如在连接处或连接处附近的倒角、圆角特征，这部分细节特征对计算结果影响较大。采用焊接连接的两个部件，焊缝可以采用刚性连接来模拟，例如板与板之间的节点融合。

对各组待处理模型进行网格划分，即将各组待处理模型的几何模型和物理性质设置成求解域，求解域离散化在求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域。具体为，将每组待处理模型的几何模型划分成多个三维单位(网格)，同时设置该几何模型的物理性质。相邻的三维单元之间采用有限个节点连接。三维单元可以是六面体单元(四边形网格)和/或四面体单元(三角形网格)。通常三维单元越小(网格越细)则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确。优选地，靠近连接处附近区域的网格密度大于远离连接处区域的网格密度。这样，后续计算中既可以精确显示连接处附近区域的应力分布状况，又可以减小后续的计算量和误差。物理性质的参数通常包括材料参数、单元类型、实常数等。材料参数包括几何模型的材料的密度、弹性模量、泊松比等参数。单元类型包括实体单元、壳单元等。例如：骨架的各个元件采用壳单元模拟，焊接、铆接采用刚性单元模拟；门组件采用质量点简化模拟；安装器件采用实体单元模拟。实常数包括壳单元的厚度、横梁或立柱的截面等。

S40：将进行完几何清理和网格划分的每组待处理模型拼接起来，重新组装成车载柜体。

将骨架的各部分的分割处的节点对应地进行合并，以将骨架的多个部分重新组合成完整的骨架。在各个安装器件与骨架之间的连接处创建螺栓，以将安装器件与骨架相互连接成车载柜体。螺栓采用刚性单元模拟。

S50:在重新组合的车载柜体上设置边界条件，根据预设的工况设置载荷，以建立车载柜体有限元分析模型，然后对该车载柜体有限元模型进行求解。

对车载柜体设置边界条件以消除刚体位移。边界条件包括约束和温度边界条件等。对螺栓施加轴向和径向的约束，对螺栓施加预紧力。约束螺栓孔的周边或周壁的六个自由度。车载柜体与车体相结合的面不能有位移，设置纵向和横向的零位移约束。根据所要计算的工况来设置载荷，载荷包括施加在车载柜体上的加速度、力、力矩等。设置各个部分的质量(自重)。

求解有限元分析模型包括对有限元模型进行静力分析、模态分析、瞬态动力学分析、随机振动疲劳分析。

在进行静力分析时，根据《铁道车辆强度设计及实验鉴定规范(TB/T1335-1996)》，将载荷设为纵向3g，横向1g，垂向3g(包括重力)，其中g为重力加速度，计算所产生的三个方向的合成应力。判断车载柜体各处的合成应力是否大于其材料的屈服极限。要求车载柜体的各处合成应力不应该大于其材料的屈服极限。可以通过计算结果来调整车载柜体的材料和/或结构使得车载柜体各处的合成应力小于其材料的屈服极限。

模态分析中采用的约束和载荷与静力分析中采用的约束和载荷一致。与模态分析用来计算车载柜体固有频率并确定对应的振动形式。车载柜体的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合，其振动能量主要集中在低阶振动，通常为前六阶振动。通过模态分析可以获得结构固有频率和振型，可以使车载柜体的设计有效地避开结构的共振频率。

在瞬态动力学分析时，根据《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验(GB/T21563-2008)》规定的冲击试验的半正弦脉冲曲线来设置载荷，然后计算车载柜体在瞬态载荷下的应力分布。判断车载柜体各处的合成应力是否大于其材料的屈服极限。要求车载柜体的各处合成应力不应该大于其材料的屈服极限。可以通过计算结果来调整车载柜体的材料和/或结构使得车载柜体各处的合成应力小于其材料的屈服极限。

在随机振动疲劳分析中，根据《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验(GB/T21563-2008)》规定的ASD频谱来设置载荷，计算出三个方向的1σ应力分布，然后按照Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的三区间法计算出车载柜体的总体损伤。根据计算出的车载柜体的总体损伤可以指导车载柜体的材料和/或结构的调整，使得车载柜体的总体损伤应小于1。

在本实施例中，由于先将车载柜体的物理模型先拆分成骨架和安装器件，再将骨架拆分成多个部分，然后对骨架的每一部分和安装器件分别进行几何清理和网格划分，最后进行车载柜体的组装。将骨架的每一部分和安装器件分别进行几何清理和网格划分可以极大减小该步骤对计算机资源的占用，减小了技术人员在众多元件中划分网格的难度，大大提高了车载柜体有限元分析的效率。同时，由于车载柜体的物理模型被拆分成多个部分，可以让多个技术人员同时进行网格划分来缩短网格划分的时间。

在一个优选的实施例中，将车载柜体的物理模型按螺栓连接划分成骨架和安装器件，骨架和安装器件分别由两人进行有限元建模。前处理部分需5.8个工作日，完成该车载柜体的有限元分析共需6.8个工作日。而按照现有技术来完成该车载柜体的有限元分析需花费10个工作日，其中前处理部分模型组织和装配1个工作日、建模8个工作日，求解计算及后处理1个工作日。由此，效率提升32％。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种对车载柜体进行有限元分析的方法，包括：

将在车载柜体的物理模型中采用螺栓相互连接的骨架和安装器件分割开来；

对骨架和安装器件分别进行几何清理和网格划分；

将骨架和安装器件拼接起来以重新组装成车载柜体；

设置边界条件和载荷以建立有限元分析模型，求解所述有限元分析模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在车载柜体的物理模型中分割出骨架后，还将所述骨架分割成多个部分，

然后对骨架的各个部分分别进行几何清理和网格划分。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在对骨架进行分割时，骨架上的分割面不经过各个连接处。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在骨架上的分割面不经过以铆钉的轴线为轴线、直径为两倍于铆钉直径且贯穿骨架的圆柱区域。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在骨架上的分割面不经过以螺钉的轴线为轴线、直径为两倍于螺钉直径且贯穿骨架的圆柱区域。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，骨架的其中一个连接处采用分段焊接，所述分割面从其中相邻两段焊缝之间的缝隙穿过。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述分割面从所述缝隙的中部穿过。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，网格划分后，靠近各个连接处附近区域的网格密度大于远离连接处区域的网格密度。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，重新组装成车载柜体时，在骨架和安装器件的连接处创建螺栓。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，求解有限元分析模型包括对有限元分析模进行静力分析、模态分析、瞬态动力学分析和/或随机振动疲劳分析。