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0 前言
机车电气柜通过过渡梁和安装座吊挂安装在机车底架横梁上。柜体内部吊挂安装着大量电气设备。由于列车运行中存在纵向冲击、垂向及横向振动，电气柜钢结构柜体及其安装结构承受着复杂的综合载荷作用。随着铁路机车车辆运行速度的不断提高，车载吊挂件的运行工况变得更为恶劣。柜体结构的强度和振动特性直接影响到柜内电器元件的正常工作，甚至影响列车运行安全。因此，对结构进行静强度及模态分析，在设计阶段确保结构的可靠性是很有必要的。
本研究采用大型通用有限元软件ANSYS的前处理模块建立了电气柜体及其过渡梁的有限元模型，根据有限元法对其进行了静强度分析以及模态分析。
1 柜体及过渡梁有限元模型的建立
由于电气柜体及其过渡梁全部为板、梁结合的结构，且板厚基本在10 mm以下，故根据设计厂家提供的I-DEAS实体图和AutoCAD二维图纸，直接采用ANSYS软件的前处理模块建立其三维几何模型。
该变流器柜体结构不完全对称，为准确模拟结构的受力状况，取整体结构建立有限元力学模型。采用计算精度较高的带中节点的板壳单元she1193进行结构离散。shell93单元具有8个节点，每个节点具有6个自由度:沿坐标系x,y,z方向的平动和沿坐标系x,y,z轴的转动。柜体内各吊挂安装电器元件为非承载件，故其重量以质量单元Mass21的形式模拟。Mass21为具有6个自由度的单节点单元，可以模拟电气元件的重力和惯性力。采用自由离散与局部加密网格的方法离散模型后，有限元模型共有:板壳单元44 281个，质量单元6424个，节点132830个，模型重量347.56 kg，电器元件重量1102. 9 kg。模型经检查没有出现畸变单元。有限元模型，如图1所示。
2 电气柜体及其过渡梁静强度分析
2.1计算工况
电气柜的计算载荷参照相关标准施加，考核车体附属设备在惯性力载荷下的静强度。计算载荷工况分以下4种:
(1)自重+纵向惯性力(SMg) ;
(2)自重+横向惯性力(Mg) ;
(3)自重+垂向惯性力(2Mg，包含重力的影响);
(4)自重十纵向、垂向、横向惯性力。
其中M—柜体与电气设备总质量。
2.2约束边界条件
为模拟过渡梁与车体横梁的螺栓连接，对与车体安装梁连接的吊座面，纵向不能有相对位移，施加纵向零位移约束;螺栓孔为联接部位，视为完全不能相对运动，所以约束螺栓孔边的全部6个自由度。
2.3计算结果分析
在上述有限元网格、边界条件和载荷作用下，采用ANSYS软件对电气柜体及其过渡梁进行有限元静强度分析。结果表明，各节点的位移变形均在1mm以内，工况4的计算应力最大，计算结果，如表1所示，柜体单元顶层及底层的等效应力云图，如图2、图3所示。从应力云图可以看出，结构大部分节点应力较小，只有在过渡梁等应力集中的局部区域应力偏大，也没有超过材料屈服极限210 MPa。
3 电气柜体及其过渡梁模态分析
为了便于对电气柜体及其安装结构在实际运用工况下的动态响应特性进行评估，本研究采用ANSYS软件对电气柜体及其过渡梁进行了模态分析(固有振动特性分析)。
根据模态分析得到的固有振动频率及相应的振型，判断结构在外界激励作用下是否会发生共振。如果钢结构柜体某阶振型的自振频率与外界激励的频率接近，那么钢结构柜体将在该频率下发生相应振型的强烈共振，从而导致设备损坏，并将大幅降低钢结构柜体的使用寿命。
3.1 模态分析理论
由弹性力学有限元法可知，电气柜体及其过渡梁的运动方程可以写成:
式中[M],[C]，[K]—质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;—结构加速度向量、速度向量和位移向量;{F(t)}—结构激励向量;{X}={x1;x2;xn};{F(t)}={f1,f2,…,fn}。
若去掉激励，忽略阻尼，则得到典型的结构自由振动的运动方程:
令，则有，代入式(2)，可得结构振动的特征方程:
模态分析就是计算该特征方程的特征值。:及其对应的特征向量{Φi}。对此广义特征值问题，ANSYS9.0软件提供了7种求解方法，本研究采用Block Lanczos法求解该特征方程。
3.2模态计算结果分析
采用Block Lanczos法对电气柜体及其过渡梁进行模态分析，约束条件同静强度分析一致，将过渡梁的吊挂面及螺孔做相应的位移约束处理。结构的振动表达为各阶固有振型的线性组合，振动能量主要集中在结构前几阶振动中，低阶振型对结构的振动特性起决定性作用。故提取前6阶低阶振型，得到前6阶低阶固有频率、相应的振型及振型动画。前6阶固有频率及最大振动变形，如表2所示。第1阶和第6阶振型位移云图，如图4、图5所示。
由振型动画显示可知，第1阶振型为前侧左隔离板在X轴方向的摆动，第2阶振型为小隔离板在X轴方向的摆动，第3阶振型为左底板在Z轴方向的摆动，第4 ,5阶振型主要为右顶板在Z轴方向的摆动，第6阶振型为左顶板在Z轴方向的摆动。
由表2可知，1阶频率为30. 6 Hz，刚刚满足自振频率大于30 HZ的要求，而且前侧左隔离板在X轴方向上的振动变形较大(18.3 mm),所以前侧左隔离板显然是振动薄弱位置，影响到了整体结构的固有振动特性。这是由于前侧左隔离板厚度较小(2 mm)，面积较大，缺乏有力的支撑，导致其刚度偏小，自振频率偏低。为此，将前侧左隔离板振动位移偏大处增加一个质量为0.l7 kg的细长U形加强梁，如图6所示。采用上述强度和模态分析方法计算得到改进结构的静应力分布图以及前6阶低阶固有频率、相应的振型和振型动画。第1阶和第6阶振型位移云图，如图7所示。由云图可知，改进结构的静应力水平跟原有结构的相当，但是增加加强梁后，结构1阶振动频率提高到了36.6 Hz，前侧左隔离板的振动变形也降低到8 mm以下，说明通过增加加强梁以改善结构振动特性的方法是有效的。建议继续改进结构，不断调整加强结构的尺寸，直至获得高强度和良好稳定性的结构。
4 结束语
本研究利用有限元分析软件ANSYS建立了电气柜体及其过渡梁的有限元模型，根据考核工况对其进行了静强度校核，由整体结构的变形及应力分布情况可知，结构静强度完全符合实际工程需要;对电气柜体及其过渡梁进行了模态分析，得到了结构前6阶低阶固有频率、相应的振型及振型动画，发现前侧左隔离板为振动薄弱部位，为结构优化设计以及深入的动力学分析和疲劳分析提供了依据。通过增加质量仅为0.17 kg的加强梁，薄弱位置的振动性能得到了明显的改善;根据模态计算结果对结构进行优化的结果表明，合理增加结构刚度可以在保证结构强度的同时改善其固有振动特性，从而避免各电器元件以及电气柜体的共振现象。
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