ATC天線支架斷裂原因分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)_張明陽

1、altair 2011 hyperworks 技術(shù)大會(huì)論文集 1 atc 天線支架斷裂原因分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)張明陽龍章華南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，南京，210031 摘 要：采用 cae 應(yīng)用軟件hyperworks ，建立了atc（ automatic train control列車自動(dòng)控制）天線支架的三維有限元模型，對(duì)之進(jìn)行模態(tài)分析，找出支架斷裂原因，提出設(shè)計(jì)改進(jìn)方向， 并對(duì)改進(jìn)方案支架再次進(jìn)行模態(tài)分析，使之滿足設(shè)計(jì)要求。其分析流程對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)有一定指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞： hyperworks，斷裂，模態(tài)分析，設(shè)計(jì)改進(jìn)1 概述本文所述 atc 天線支架是為地鐵車輛設(shè)計(jì)的新型結(jié)構(gòu)，作為 atc

2、天線及輪緣潤滑噴嘴的安裝座， 安裝于轉(zhuǎn)向架端部。其結(jié)構(gòu)的可靠性和承受振動(dòng)沖擊的能力，將直接影響車輛系統(tǒng)信號(hào)接收及車輛運(yùn)行安全，因此必須保證其具有足夠的靜剛度以滿足設(shè)計(jì)要求。為了驗(yàn)證此 atc 天線支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及在車輛正常振動(dòng)和沖擊環(huán)境下承受振動(dòng)沖擊的能力，對(duì)原型支架進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算和振動(dòng)沖擊試驗(yàn)。原型支架經(jīng)計(jì)算滿足強(qiáng)度要求，但卻未能通過振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中發(fā)生斷裂。為了分析原型支架發(fā)生斷裂的原因并輔助設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)，利用業(yè)界知名的cae 應(yīng)用軟件hyperworks對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)原型支架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并再次對(duì)改進(jìn)方案支架進(jìn)行計(jì)算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終滿足設(shè)計(jì)要求。hy

3、perworks作為高效的cae 軟件集前后處理與求解器于一體，功能全面，操作便捷，因此本文選用hypermesh建立支架的有限元模型，選用radioss求解器完成對(duì)模型的模態(tài)分析得到模型的固有頻率和相應(yīng)振型，使用hyperview進(jìn)行后處理對(duì)所產(chǎn)生的模態(tài)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行剖析，其分析結(jié)果為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考依據(jù)。2 原型支架模態(tài)分析2.1 模型的建立atc 天線支架原設(shè)計(jì)方案主要由atc 天線安裝支架、 輪緣潤滑器噴嘴安裝板和筋板三部分組成，如圖1所示。計(jì)算模型的建立， 使用 cad 軟件 catia 創(chuàng)建幾何模型， 然后將幾何模型導(dǎo)入hypermesh進(jìn)行幾何清理，最后采用四面體單元對(duì)模型進(jìn)

4、行網(wǎng)格劃分建立有限元模型。圖2為建立的原設(shè)計(jì)方案支架的有限元計(jì)算模型，模型結(jié)點(diǎn)數(shù)37922 ，單元數(shù) 155748 。altair 2011 hyperworks 技術(shù)大會(huì)論文集 2 圖1 原型支架幾何模型圖2 原型支架有限元計(jì)算模型2.2 材料屬性atc 天線支架所用材料牌號(hào)為p355nl1 ，材料參數(shù)如下：屈服強(qiáng)度： 355mpa 彈性模量： 210gp a 材料密度： 7850kg/m3泊松比： 0.3 2.3 模態(tài)分析及方案改進(jìn)因支架采用螺栓固定于構(gòu)架端部，實(shí)際運(yùn)行過程中主要承受中低頻振動(dòng)，較低頻率的振動(dòng)現(xiàn)象較為顯著， 過高頻率振動(dòng)對(duì)其影響可以忽略不計(jì)，固在支架上端部四個(gè)螺栓孔處設(shè)定約

5、束， 鎖定全部六個(gè)自由度，使用 radioss 求解器對(duì)支架模型進(jìn)行約束模態(tài)分析，采用 block lanczos 模態(tài)提取方法，僅計(jì)算前6階模態(tài)固有頻率和相應(yīng)振型。1-6階模態(tài)頻率分析結(jié)果如表1所示。根據(jù)支架的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，更關(guān)心的是其一階彎曲模態(tài)，如圖3所示。altair 2011 hyperworks 技術(shù)大會(huì)論文集 3 表1 原型支架模態(tài)分結(jié)果階次固有頻率（ hz）1 29.1 2 141.8 3 169.1 4 252.5 5 397.3 6 598.9 圖3 原型支架第 1階模態(tài)振型云圖從圖中可以看出，其一階模態(tài)主要由atc 天線安裝支架的彎曲模態(tài)組成，其中支架下端部的擺動(dòng)幅度最

6、大；支架一階彎曲模態(tài)頻率為29.1hz ，此頻率過低和試驗(yàn)測得低階激振頻率相接近，在運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生共振，這就是導(dǎo)致支架斷裂的原因。因此，原型支架整體剛度不足不滿足設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。擬定可行的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案如下：1. 采用其它材料，增強(qiáng)支架的支持強(qiáng)度；2. 增加支架板厚，從而增強(qiáng)其整體剛度，進(jìn)而改善其模態(tài)；3. 在相應(yīng)振幅較大處設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)板，改善其整體振動(dòng)性能。綜合考慮材料、 成本、工藝、造型及生產(chǎn)實(shí)際等各方面因素，采用第三種方案較為合理。在atc 天線支架縱向中間位置設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)板，改進(jìn)后的實(shí)體模型如圖4所示。altair 2011 hyperworks 技術(shù)大會(huì)論文集 4 圖4 改進(jìn)支架幾

7、何模型3 改進(jìn)支架模態(tài)分析為具有可比性， 采用和原設(shè)計(jì)方案模型相同設(shè)置，對(duì)改進(jìn)方案模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分建立有限元模型，并再次對(duì)其進(jìn)行約束模態(tài)分析，模態(tài)頻率分析結(jié)果如表2所示。表 2 改進(jìn)支架約束模態(tài)分結(jié)果階次固有頻率（ hz）1 60.5 2 163.7 3 201.6 4 271.8 5 479.5 6 664.7 其一階模態(tài)優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。根據(jù)結(jié)果分析， 改進(jìn)方案模態(tài)頻率得到顯著提高，已遠(yuǎn)避開了低價(jià)激振頻率，而模型僅增重 9.3% ，質(zhì)量增加仍在允許優(yōu)化范圍之內(nèi)。經(jīng)試驗(yàn)和裝車運(yùn)行驗(yàn)證，改進(jìn)方案設(shè)計(jì)模態(tài)性能優(yōu)異，大大提高了 atc 天線支架的整體剛度，明顯改善了atc 天線支架的整體振動(dòng)性能

8、，說明此次改進(jìn)設(shè)計(jì)是成功的。altair 2011 hyperworks 技術(shù)大會(huì)論文集 5 圖5 改進(jìn)支架第 1階模態(tài)振型云圖4 結(jié)論通過對(duì) atc 天線支架結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析，找出其發(fā)生斷裂的原因并提出多種設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。 通過對(duì)所選改進(jìn)方案的進(jìn)一步分析對(duì)比，證明所選改進(jìn)方案具有較好的剛度，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的改進(jìn)方案。這是hyperworks 軟件在本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中的成功應(yīng)用。cae 技術(shù)在結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用可以較早地預(yù)測結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)的不足，為設(shè)計(jì)師結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)并指明方向，從而可在設(shè)計(jì)之初對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，減少后期設(shè)計(jì)難度，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)可靠性。cae 分

9、析方法對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和輔助改進(jìn)具有重要意義。5 參考文獻(xiàn)1 altair engineering inc. hyperworks users guide, 2008 2 李楚琳，張勝蘭，馮櫻，等. hyperworks 分析應(yīng)用實(shí)例，機(jī)械工業(yè)出版社，2008 rupturing reason analysis for atc antenna bracket and improvement on brackets design abstract: applying the famous cae software hyperworks, modal analysis for an atc (automatic train control) antenna bracket was conducted in this paper. the analysis results indicated the reason of rupturing and directions of improvement. modal analysis was also done for an improved design of the bracket, and showed that it eventually meets the require