动车组隔离变压器柜体强度分析与轻量化研究.pdf

第51 卷 第01 期 机械 Vol.51 No.01 2024 年 1 月 MACHINERY January 2024 收稿日期：2023-09-25 基金项目：国家自然科学基金项目高海拔长大坡道下机车车辆制动性能退化机理及抑制方法（U22A20181）作者简介：仲凡（1997），男，江苏宿迁人，硕士研究生，主要研究方向为轨道车辆设计及理论，E-mail：。动车组隔离变压器柜体强度分析 与轻量化研究 仲凡1，王俊勇1，董宇微2（1.西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031；2.常州大学 机械与轨道交通学院/智能制造产业学院，江苏 常州 213100）摘要：对动车组车下吊挂隔离变压器柜体进行结构强度分析，利用 Hypermesh 软件建立隔离变压器柜有限元模型，依据 EN 12663-2010 确定柜体静强度分析工况及疲劳强度分析工况，基于 von Mises 应力评估柜体静强度，根据 FKM 标准评估柜体疲劳强度。校核结果表明，柜体强度余量较大。基于校核结果，以柜体骨架主要部位板厚为设计变量、强度为约束条件、整柜重量为优化目标，采用 Kringing 法构建隔离变压器柜代理模型，以全局响应算法对代理模型进行寻优迭代，优化结果表明，在满足柜体静强度、疲劳强度及刚度要求下，柜体重量减轻 17%，优化效果明显，验证优化方法可行。关键词：隔离变压器柜；疲劳强度；轻量化设计；代理模型；FKM 标准 中图分类号：U270.381 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.01.005 文章编号：1006-0316(2024)01-0030-08 Strength Analysis and Lightweight Research on Isolation Transformer Cabinet of EMU ZHONG Fan1，WANG Junyong1，DONG Yuwei2(1.School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.School of Mechanical Engineering and Rail Transit/School of Intelligent Manufacturing,Changzhou University,Changzhou 213100,China)Abstract：The structural strength analysis is carried out on the underside hanging isolation transformer cabinet of EMUS.The finite element model of the isolation transformer cabinet is established by using the Hypermesh software.And the static strength analysis conditions and fatigue strength analysis conditions of the cabinet are determined according to EN 12663-2010 standard.The static strength of the cabinet body is evaluated according to the von Mises standard,and the fatigue strength of the cabinet body is evaluated according to the FKM standard.The calibration results show that the cabinet strength margin is large.On the basis of the calibration results,taking the plate thickness of the main part of the cabinet skeleton as the design variable,the strength as the constraint condition,and the weight of the whole cabinet as the optimization objective,the Kringing method is used to construct an isolation transformer cabinet agent model,and the global response algorithm is used to conduct the optimization iteration of the agent model.The optimization results show that when the static 第 51 卷 第 01 期 2024 年 strength,fatigue strength and stiffness r17%.The optimization effect is obvious,Key words：isolation transformer cabine隔离变压器柜是动车组车辆重要常安装在车下，实际运行时受到不击与振动，运行环境恶劣。柜体作为设备的保护装置，其强度及刚度必须运行要求。因此，在设计阶段有必要度、刚度等进行校核，常用的标准12663-20101、IEC 61373-20182等随着轨道车运行速度不断提高更加复杂，由此造成的车体及相关设失效问题也不断出现，而振动疲劳是失效的重要原因之一3-5。近些年来问题研究也逐渐增多。有学者通过有方法来校核车体及相关设备在静载况下的强度，研究了振动情况下结构的预测方法，通过相关试验来验证方性，为结构设计提供了一些建议6-7度等相关要求下，对结构进行轻量化分有必要的。基于代理模型的优化方传统优化方法耗时大等缺点，有学者法对列车车体优化进行大量研究8-9离变压器柜等电气设备，此方法应用本文以某动车组隔离变压器柜象，研究柜体强度校核方法，利用有校核柜体强度。基于校核结果，通过代理模型，对柜体相关参数进行优化离变压器柜轻量化设计要求。1 隔离变压器柜结构及有限元1.1 隔离变压器柜结构 隔离变压器柜是某 200 km/h 动组的车下吊挂设备，主要由不锈钢焊 机械 requirements of the cabinet are met,the cabinet weig which verifies the feasibility of the optimization methoet；fatigue strength；lightweight design；surrogate mode要设备，通同方向的冲为内部电气须满足实际要对柜体强准主要有 EN。，运行环境设备的结构是造成结构来，针对此类有限元计算、冲击等工构疲劳寿命方法的有效。在满足强化设计是十方法克服了者基于此方，但对于隔用较少。柜为研究对有限元软件过建立柜体化，达到隔元模型 力集中动车焊接骨架及内部电气设备组成，其中焊接骨内部设备总重 121 kg。内部设备表 1 所示。表 1 柜体内部设备及重序号 电气元件名称 1 三相隔离变压器 2 前门组装 3 风机组件 4 端子排 XS1 5 分线端子排 6 电源模块 7 电线、扎线杆等 1.2 有限元模型 因柜体骨架由钣金件焊接而算准确度及提高计算效率，柜体安装板等采用壳单元划分网格。作用，重量较大的电气部件采用网格。螺栓连接采用 REB2-BEA划分网格。柜门由吊钩和门锁固采用 MASS 单元模拟柜门，使用MASS 单元及骨架壳单元节点耦隔离变压器柜有限元模型共有 3385552 个节点。有限元模型总重限元模型及整体坐标系如图 1 所分别代表行车方向、垂向及横向图 1 隔离变压器柜有限元 31 ght is reduced by od.el；FKM standard 架总重 109 kg、备名称及重量如重量 重量/kg 100 6 6 2 0.3 1.3 5.4 而成，为保证计体骨架、焊缝及考虑到惯性力用实体单元划分AM-REB2 单元固定在骨架上，用 REB2 单元将耦合。离散后的68113 个单元，重为 216 kg，有所示，X、Y、Z向。元模型 32 机械 第 51 卷 第 01 期 2024 年 2 结构强度校核准则 2.1 静强度准则 EN 12663-2010 以材料的屈服极限来判定车体及车上固结设备是否满足静强度要求，其表达式为：vonRS （1）式中：R 为材料屈服强度；von为 von Mises 等效应力；S 为安全系数，单个工况加载时取 1.15。焊缝静强度校核方法与式（1）相同，其屈服强度可视为母材屈服强度的 90%5。隔离变压器柜体采用多个不同厚度的不锈钢钣金件焊接或螺栓连接而成，各钣金件厚度为 28 mm 不等，均采用 0Cr19Ni10 不锈钢材料，密度 7.8510-6 kg/mm3、弹性模量 E2.06105 MPa、屈服强度 RS220 MPa、泊松比 0.28。由式（1）求得焊缝屈服强度 RW198 MPa。2.2 疲劳强度准则 本文基于 FKM10标准，分别对柜体母材、焊缝疲劳强度进行校核。FKM 标准是用来校核焊接构件和非焊接构件的静强度及疲劳强度，适用于不锈钢材料、铸铁材料及铝合金材料，并考虑了焊接接头、表面处理等因素11。2.2.1 母材疲劳强度 FKM 标准通过定义疲劳循环利用度来评价构件疲劳强度，利用度（特征工作应力/构件疲劳许用应力）安全系数。对于非焊接板壳构件，其疲劳许用应力为：,mWT DBKWKAKBKmWT DBKWKAKBKRfKSKKKRfKTKKK=（2）式中：SBK、TBK为构件的许用正应力、许用切应力；Rm为材料抗拉强度；fW,、fW,为疲劳极限因子，分别取 0.4、0.577；KT,D为温度因子，常温下取 1；KWK,、KWK,为设计因子，由构件形状、表面处理等因素决定；KAK,、KAK,为平均应力因子；KBK,、KBK,为变幅疲劳强度因子。正应力、切应力循环疲劳利用度为：,1,1,/aBKBKDaBKBKDSaSjTaTj=（3）式中：Sa,1、Ta,1为正、切应力最大应力幅值；jD为总安全系数，保守起见，非焊接构件取1.5，焊缝取1。合成利用度为：222,BK SvBK xBK yBK xBK yBKaaaaaa=+（4）式中：,BK Sva为合成应力下非焊接构件疲劳利用 度；aBK,x为平面x正应力方向疲劳利用度；aBK,y为平面y正应力方向疲劳利用度；aBK,为平面切向疲劳利用度。2.2.2 焊缝疲劳强度 对于焊接板壳构件，使焊缝失效的力主要是沿焊缝方向的剪切力（）、垂直于焊缝方向的正应力（）、平行于焊缝方向的正应力（P）。焊缝疲劳许用应力为：,BKFATtVEAKBKBK PPFATtVEAK PBK PBKFATtVEAKBKSFATffKKKKSFATffKKKKTFATffKKKK=，（5）式中：SBK,为垂直于焊缝疲劳许用正应力；SBK,P为平行于焊缝疲劳许用正应力；TBK为焊缝疲劳许用切应力；FAT为焊缝疲劳等级；fFAT,()为疲劳等级转换系数，分别取0.37、0.23；ft为厚度因子，当t25 mm时取1；KV为表面处理因子，保守起见通常取1；KE,()为中等残余应力 第 51 卷 第 01 期 2024 年 机械 33 因子；KAK,(P)为正应力平均应力因子；KAK,为切应力平均应力因子。合成利用度计算方法与非焊接构件相同。FKM标准中母材及焊缝S-N曲线如图2所示。（a）母材 （b）焊缝 图 2 FKM 钢材 S-N 曲线 3 仿真分析 3.1 静强度仿真分析 根据EN 12663-2010规定，动车组车辆隔离变压器柜为P-II类固定编组车辆车下设备，通过加速度引起的惯性力进行加载，其垂向、纵向、横向加载分别为(1c)g、3g、1g，当设备在车头者车端时c2。根据标准制定的静强度分析工况如表2所示。表 2 静强度分析工况 工况 载荷 纵向 垂向 横向 1 3g 1g 0 2-3g 1g 0 3 0 1g-1g 4 0 1g 1g 5 0 3g 0 6 0-1g 0 图3为工况1的等效应力分布云图，最大von Mises应力为62.9 MPa，出现在隔离变压器安装梁处。表3为柜体静强度计算结果，在静强度工况中，柜体最小安全系数为3.5，大于标准要求的1.15，柜体静强度符合设计要求。图 3 静强度工况下最大应力分布云图 表 3 静强度分析结果 工况 最大应力/MPa 安全系数 出现位置 1 62.9 3.5 隔离变压器安装梁 2 55.2 4.0 吊耳 3 34.6 6.3 隔离变压器安装梁 4 35.8 6.1 隔离变压器安装梁 5 42.1 5.2 隔离变压器安装梁 6 14.0 15.7 隔离变压器安装梁 3.2 疲劳强度仿真分析 根据EN12663-2010中P-II类在107次循环下疲劳载荷要求及隔离变压器柜自重影响，制定隔离变压器柜疲劳载荷工况，如表4所示，在ANSYS中对隔离变压器柜体进行计算分析，提取6个疲劳工况下的应力结果，建立每个焊缝局部坐标系，利用HyperLIfe计算FKM标准下柜体母材及焊缝区域的循环疲劳利用度，如图4所示，可以看出：母材在疲劳工况下最大利用度为0.1819，出现位置在隔离变压器安装梁螺栓孔附近；焊缝区域最大利用度为0.2893，出现在隔离变压器安装梁与横梁的焊缝区域；柜体母材及焊缝区域整体上利用度并不高，未超过许用值1，柜体强度还有一定余量。表 4 疲劳工况载荷 工况 载荷 纵向 垂向 横向 1 0.2g 1g 0 2-0.2g 1g 0 3 0 1.15g 0 4 0 0.85g 0 5 0 1g 0.15g 6 0 1g-0.15g 34 机械 第 51 卷 第 01 期 2024 年 （a）母材 （b）焊缝 图 4 柜体最大疲劳利用度分布 表5列出了疲劳工况载荷下柜体母材及焊缝区域利用度最大的单元各5个，最大利用度可能发生在单元TOP面及BOTTOM面。表 5 柜体母材及焊缝区域利用度最大的 5 个单元 区域 单元编号 利用度 单元表面 母材 7738 0.1819 TOP 7740 0.1809 TOP 7698 0.1807 TOP 7700 0.1789 TOP 7736 0.1671 TOP 焊缝 430689 0.2893 TOP 430339 0.2449 TOP 430216 0.2270 TOP 430766 0.2677 BOTTOM 428348 0.2113 TOP 4 柜体轻量化研究 从上述分析可知，柜体强度还有较大余量，可以对柜体进行优化，减轻柜体重量，从而达到整车轻量化要求。对复杂结构，常规的优化方法主要有尺寸优化、形貌优化以及拓扑优化。对于柜体来说，其安装接口无法变动，结构无法有太大改动，因此采用尺寸优化方法，以柜体不锈钢板厚度为优化参数，既不会对柜体结构产生改动，方便生产制造，也可以大幅提高优化效率。传统的尺寸优化依赖设计人员主观经验，对某些重要参数靠“试错”来寻找，对于一些大型复杂结构，其强度计算可能要耗费数天才能完成，需要大量仿真资源。为提高优化效率，采用试验设计法建立隔离变压器柜代理模型，取代有限元模型进行计算，大大提高优化效率。4.1 DOE 采样 本次优化以柜体横梁、纵梁等不锈钢板厚度为设计变量，共计9个，各设计变量部位以及取值范围如表6所示。以静力工况下最大von Mises应力及整柜重量为响应，在Hyper Study中采用Modified Extensible Lattice Sequence（修正的可扩展格栅序列，MELS）法进行DOE（Design of Experiment，试验设计）采样，采集构建代理模型所需样本点，采集样本个数与设计变量关系为：()()1.1122NNM+（6）式中：M为采集样本个数；N为设计变量个数。经过计算及考虑到计算时间，共采集62组样本。部分采样结果如表7所示，表中von Mises应力为单元应力结果。表 6 设计变量 设计变量部件 原设计值/mm 取值范围/mmT1 吊耳主板 8 610 T2 主板加强筋 8 610 T3 竖梁 3 15 T4 纵梁（上）3 15 T5 纵梁（下）3 15 T6 横梁（下）3 15 T7 横梁（上）3 15 T8 隔离变压器安装梁4 26 T9 盖板 2 13 第 51 卷 第 01 期 2024 年 机械 35 表 7 MELS 试验设计采样 采样序号 T1/mm T2/mm T3/mm T4/mm T5/mm T6/mm T7/mm T8/mm T9/mm Mass/t Stress/MPa 1 8 8 3 3 3 3 3 4 2 0.2156 84.5 2 8.247.28 1.2 5.4025.8645.3035.1635.8013.5850.2578 74.93 3 6.399.949 1.992 5.6245.1711.2993.6123.3033.8270.253 118.88 4 7.0947.037 5.912 4.8655.423.5525.6282.5183.2030.252 200.68 62 9.7696.127 1.435 5.5591.2651.6773.2863.3531.210.203 117.68 图5为各设计变量对静强度工况下最大von Mises应力和整柜重量的影响比例图（即Pareto图），其中：T9变量对重量影响最大，T8变量对应力影响最大，其余变量对应力及重量影响比例相似，故不进行变量筛选，仍以T1T9为设计变量。T1T2T3T4T5T6T7T8T9影响比例变量重量应力 图 5 设计变量对重量及应力的影响 4.2 拟合代理模型 代理模型实质是通过数学模型来拟合变量与响应之间的关系，以数学模型替代有限元模型进行计算，提高优化效率。拟合代理模型方法众多，其中Kriging模型针对复杂非线性问题拟合准确度更高，拟合值与实际仿真值误差更小，因此使用Kriging模型拟合响应面12。Kriging代理模型的响应表达式为：()()()y xy xZ x=+%（7）式中：y(x)为拟合响应；()y x%为实际响应；Z(x)为均值为0的随机误差。拟合完成后的代理模型与实际值误差如图6所示，图中离散点越靠近斜线代表代理模型预测值准确度越高。（a）质量预测值误差分析 （b）应力预测值误差分析 图 6 代理模型预测值与实际模型误差 系数R2常用来评估代理模型拟合精度，其越接近1，代表拟合精度越高，表达式为：()()221211niiiniiyyRyy=%（8）式中：n为测试样本的个数；iy%、yi分别为第i处样本的实际响应、拟合响应；y为实际响应 的均值。重量、应力拟合值R2分别为0.999、0.961，均大于0.90，准确度较高，可以用此代理模型替代原有有限元模型进行计算。36 机械 第 51 卷 第 01 期 2024 年 4.3 优化结果分析 各设计变量为优化参数、以整柜重量最小为优化目标，以静强度工况下von Mises应力最大值小于150 MPa（安全系数为1.5）为约束条件，建立优化模型如下：()()()19Find:min:s.t.:max150TTTm TS=L （9）式中：T为设计变量；m为质量；S为应力。代理模型建立完成后需使用优化算法对参数进行寻优计算。常用的优化算法有全局响应算法（Global Response Search Method）、遗传算法（Genetic Algorithm）等，其中全局响应算法求解精度更高，因此采用此算法对变量进行优化。经3433次迭代计算得出一组最优解，优化前后设计变量对比如表8所示，并对优化参数进行圆整，便于生产制造。优化后柜体总重量为179 kg。表 8 参数优化结果 设计变量 原设计值/mm 优化结果/mm 圆整值/mmT1 8 6 T2 8 6 T3 3 1 T4 3 1 T5 3 1 T6 3 1 T7 3 1 T8 4 3.15 3.5 T9 2 1 调整各设计变量厚度，对其进行静强度、疲劳强度及模态分析，检验优化后隔离变压器柜是否满足强度及刚度要求。图7为优化后模型在静强度工况下的最大von Mises应力云图，优化前后强度及刚度对比结果如表911所示。分析对比结果可得：优化后静强度最大应力较原有结果有所上升，最大von Mises应力为86.9 MPa，安全系数符合标准要求；母材及焊缝区域疲劳利用度均有小幅上升，未超过许用 值1；优化后柜体固有频率下降，未低于20 Hz，且模态阵型均以局部模态为主，振动主要发生在面积较大的盖板处，优化后刚度满足要求。图 7 优化后静强度最大 表 9 静强度对比 状态最大应力所在工况 最大应力/MPa 安全系数优化前1 62.9 3.5 优化后1 86.9 2.5 表 10 疲劳利用度对比 优化前、后 最大利用度 母材区域 焊缝区域 优化前 0.1819 0.2893 优化后 0.2286 0.4318 表 11 模态前 3 阶固有频率对比 模态阶次 固有频率/Hz 优化前 优化后 1 39.9 33.24 2 43.2 33.51 3 57.8 36.0 5 结论 通过对某动力集中动车组隔离变压器柜进行强度分析及轻量化研究，可得到如下结论：（1）在EN 12663-2010规定的静载工况下，柜体最小安全系数为3.5，静强度满足要求。（2）在EN 12663-2010规定的疲劳工况下，基于FKM标准对柜体母材及焊缝区域疲劳利用度均为超过许用值，且余量较大，可对柜体进行优化。（下转第44页）44 机械 第 51 卷 第 01 期 2024 年 得到结论如下：（1）400 km/h 高速动车组采用 LMB_10踏面时，车辆的平稳性指标及稳定性指标均能满足相关标准要求，具有足够的安全冗余；（2）新轮状态的动力学性能均优于磨耗轮状态，表明新轮状态下有利于车辆通过，建议采用新轮匹配轮轨关系；（3）磨耗踏面与 CN60N 和 Rail_60 钢轨型面匹配的各项数据基本重合，表明磨耗型踏面与何种钢轨型面匹配对运行稳定性几乎不产生影响。（4）LMB10_new 和 CN60N 组合的轮轨匹配关系下，通过各种曲线和超高情况时的各项稳定性指标均未超出限值，满足标准要求，且有足够的安全裕量。（5）采用 LMB10_new 和 CN60N 组合的轮轨匹配关系时，在相同的工况下，成渝谱的各项动力学性能指标优于郑西谱、优于京沪谱，成渝谱最优。参考文献：1王锋.打造性能更优新一代时速 400km/h 高速动车组高速动车组助推中国高铁事业“十四五”更大发展J.城市轨道交通研究，2022，25（2）：10，144-145.2李国栋，崔利通，王文华，等.兰新铁路客运专线提速动车组动力学问题分析J.机车电传动，2021（4）：1-7.3王淇，崔涛，丁学彬，等.时速 400km 高速动车组动力学性能分析J.大连交通大学学报，2021，42（1）：20-24.4 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