0 引言
高速、重载是铁路现代化的重要标志之一。列车速度的提高、轴重的增加，以及恶劣的运行工况对机车车辆各主要承载部件(轮对、构架、车体等)和安装设备(变流器、电气屏柜等)的安全性、可靠性提出了更高的要求。
然而在进行变流器柜体结构设计时，常常要求结构紧凑、质量轻，结构强度与寿命的评估就变得愈来愈复杂，愈来愈重要。要进行结构强度与寿命评估，经常需要参照有关的理论、方法、行业上的规范及材料的数据，而这些理论、方法、资料大多是经过大量实验、工程实务归纳出来的。随着现代计算机技术和有限元技术的发展，有限元技术得到了广泛的应用，并与计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)密切结合，形成了现在计算机辅助工程(CAE)技术的整体构架。
当前CAD/CAE软件开发的趋势是专业化分工程度越来越高。ProE和ANSYS分别作为CAD和CAE领域的典型代表。ProE的机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具。ANSYS具有强大的网格划分、加载求解和后处理功能以及良好的开放性。ANSYS的几何建模功能相对较弱，如果利用ANSYS提供的建模方法建立变流器柜体的装配模型，将是一个极其烦琐的过程，常常占据整个分析过程的70%以上，这使得分析人员不能够把主要精力放在产品的分析和优化上，大大浪费了分析人员的时间，也不能很好地利用设计人员已有的模型。虽然ProE与ANSYS分别都有相应模块向对方领域渗透，允许用户在购买足够模块的基础上实现相应操作，但是对于需要使用CAD/CAE集成系统的工程人员来说，单一的ProE或者ANSYS很难迅速优质地完成任务，较好的解决方案是充分利用ProE的三维建模功能，将模型数据导人ANSYS进行分析计算。本文将结合某变流器的静强度计算分析和模态分析，对处理复杂模型的有限元分析进行阐述。模块，添加完载荷和约束，选择ANSYS求解器，运行网格划分，即可输出.ans文件，读人ANSYS后可得到包含了单元、节点、材料、载荷、约束等信息的有限元模型。
1 ProE模型导入ANSYS的方法
1.1 利用IGES中间标准格式转换
IGES(Initial Graphics Exchange Specification，初始化图形交换规范)格式文件由一系列产品的几何、绘图、结构和其他信息组成，可以处理CAD/CAM系统中的大部分信息，亦受到绝大多数CAD/CAM系统的支持。这种格式文件的优点是操作简单，而且通用性比较强，可以和大多数CAD和CAE软件兼容。但由于ANSYS内置的转换过滤程序允许输人部分模型参数，ANSYS有时把不能识别的特征省略掉，当ProE中建立的模型特征过多或结构过于复杂时，使用IGES文件格式输人到ANSYS后很可能产生模型断裂、丢失实体等情况，会直接影响模型后续分析的准确性。在模型导入成功后，也会出现因ANSYS无法对模型的一些特征进行网格划分的现象，使后续工作难以进行下去。
1.2 使用ANSYS-ProE接口转换
ANSYS在默认的状态下是不能直接对ProE中的.prt(或，asm)文件进行直接转换的。但是ANSYS软件安装选项中包含与ProE软件的接口模块“Connection for Pro/Engineer"。此模块不仅能将ProE模型数据直接转换给ANSYS，同时也提供了以执行部件为基础的参数优化设计功能。该功能允许从建立以部件为基础的参数化ProE模型开始，用ANSYS程序对其进行优化，并以一个优化的模型结束，而且仍是以部件为基础的参数化模型。转换成功后，在ANSYS中对实体模型划分网格、施加载荷与边界条件，然后求解计算。
1.3 使用ANSYS Workbench Environment
ANSYS Workbench Environment(AWE)是ANSYS公司新近开发的新一代前后处理环境。几乎所有的CAD软件都可以应用AWE，从而直接将模型转化为ANSYS模型。AWE与多种CAD软件具有双向相关性，还提供了方便灵活的实体建模方法，协助用户进行几何模型的建立。目前主要用于实体模型的分析，不能对单元进行控制和操作，所以不能建立杆单元、弹簧单元或质点单元等。AWE仍在进一步发展和完善中。
1.4 ProE选择ANSYS作求解器输出转换文件
ProE软件包中包含了可用于有限元分析的Pro/MECHANICA模块(以下简写为Prom)，启动有限元分析
2 有限元模型
2.1 简化模型
变流器柜体多由钣金件、方钢组焊而成，变流器模块、控制箱、电力电容器、电抗器等由螺栓连接在柜体的安装板上。图1是某变流器结构示意图，装有两个重130kg的变流器模块、一个重20kg的控制箱和一个重20kg的电力电容器。
图1 变流器结构示意图
Fig.1 Schematic of converter
柜体有限元模型建立的好坏是直接关系到计算结果是否合理和正确的重要问题。根据其结构特点及受力状态，应按空间问题解决。变流器柜体的设备布置大多呈非对称性，分析时应取整个柜体为研究对象，这样才能较好地反映柜体受力的实际情况。任何构件或零部件都是三维的，但是当某一个方向或某两个方向的尺寸小于其他方向的尺寸时，就可以简化为板壳或杆，这种简化称为降维。变流器柜体结构较大，如果分析其应力状态，必须同时考虑到不同坐标轴上的三维空间应力、应变分量和位移分量。这样分析和计算的工作量巨大，在现有的计算机条件下(高性能计算中心、工作站除外)，往往很难计算出结果。对于复杂的柜体而言，采用板梁结合的力学模型较采用实体模型计算结果分析更为理想和简单。但必须注意：降维的前提是计算后的结果必须满足工程要求。虽然ProE构建的是实体模型，可以在Prom中运行“中间曲面”(Mid-PlaneSurface)功能，但这一步骤不在组件文件里，而是在各零件文件中。对于圆角曲度、凸缘等特定类型的特征，将无法创建中间曲面，此时需要删除那些部位或对该部分的特征作适当的修正。利用ANSYS自底向上建立壳单元模型常常需要数天时间，而利用Prom抽取“中间曲面”的方法只需数10 min，大大提高了效率。
抽取中间曲面后，有必要了解薄壳和厚壳单元选择的一般规律：(1)薄壳（例如ANSYS中的SHELL63单元)不包括剪切变形，需要考虑剪切变形时应使用厚壳单元(例如SHELL43单元)，Prom的有限元模型导人ANSYS后，即自动选取了该单元。(2)厚壳的另一个特征是应力沿厚度不是线性变化的。
零件中的倒角、小孔等特征和组件中的某些不影响柜体结构强度的零件(如扎线杆、安装支座等)可以删除，进一步简化模型。
2.2 焊缝和螺栓连接的处理
尽管焊接、铆接和螺栓连接等方式在实际应用中非常广泛，看起来结构简单，然而要想利用有限元法对其进行分析，仍然需要做大量的简化假设。下面简要介绍处理焊接和螺栓连接的常用方法。
(1)耦合和约束方程是有限元中建立节点自由度之间特殊关系的技术。利用这些技术能进行单元做不到的自由度联接。藕合技术迫使两个或多个自由度取得相同但未知的值，藕合自由度集包含一个主自由度和一个或多个其他自由度。约束方程迫使两个或多个自由度之间取得线性的关系。对焊接处进行藕合约束处理，建立起不同自由度间的特殊联系，即在钢板焊接重复节点处形成共同约束，迫使多个自由度取得相同值，将这些自由度藕合在一起来模拟焊接情况。在ANSYS中运用该方法可以得到较好的计算结果。
(2)考虑到手工电弧焊的特点：可以获得紧固、致密的焊缝，焊接接头在大多数情况下可以实现与母材等强度。因此简化模型为整体式，也就是采用统一的单元属性。这样处理会人为提高连接刚度，对整体应力的分析有一定影响。
(3)在各种机械结构中，螺栓连接是一种简单而普遍的连接形式。研究螺栓连接的历史悠久，一个世纪以来，各科研机构均对其进行过深人细致的研究，多采用两种常用的方法：理论解析法和有限元法。由于理论解析法要对结构进行简化，忽略了结构中许多非线性因素影响，如螺栓连接结构的螺栓预紧作用和被连接法兰面之间的接触等非线性行为均不能模拟，分析的结果误差大。ANSYS具有非线性接触行为模拟能力，轴、螺栓、螺母均采用实体单元，并利用Pretention 179单元模拟螺栓的预紧作用。
(4)轴、螺栓采用梁或杆单元。梁单元具有拉伸、压缩、扭转和弯曲能力，每个节点有6个自由度。杆单元为单向拉压单元，每个节点有3个位移自由度。
(5)ProM利用了Charles Mischke的研究结果，假设螺栓作用时的影响为一锥形区域(图2)，可根据计算。该方法只能在基本模式中使用。
图2 螺栓作用时的锥形影响区域
Fig.2 Conical section of joint under pressure
2.3 p方法与H方法
有限元法作为一种求解偏微分方程非常有效的数值近似计算方法，与其他任何近似数值方法一样都存在算法可靠性和有效性问题。有限元分析结果的误差可能来自分析过程的各个环节，其中一个主要的误差来源是模型的离散化，有限元网格划分的质量对分析结果的精度有着重大影响。在进行有限元分析时，通常根据经验、对所研究问题的理解、甚至是直觉进行网格划分，然后凭直观简单地判断近似结果是否合理。如果不合理，则需对应力梯度变化大的区域重新进行网格设计，或者是在不知道误差分布的情况下盲目细化网格，结果往往事倍功半，大大增加了计算的工作量，计算效率和可靠性都较低。考虑到经典的H方法(每个单元使用低阶次的插值多项式，不改变各单元形函数的阶次，通过逐步加密有限元网格剖分来使结果向正确解逼近)存在的网格质量问题，P方法(保持有限元的网格剖分固定不变，通过逐步增加各单元形函数的阶次来改善结果精度)应运而生，最初该方法只是作为一种纯理论的方法提出，并没有得到多大的重视，但随着人们对该方法的逐步认识，P方法也得到了一些发展和完善。Prom有两种模式：基本模式(Native Mode)和有限元模式(FEM Mode)，基本模式即采用了P方法进行求解，有限元模式则只能为ANSYS和MSC.NASTRAN分别输出采用H方法的有限元模型.ans文件和.nas文件。
P方法一般都采用升阶谱单元，在一定的网格密度下，按照给定的P-水平求解，然后逐步增大P-水平，对该网格再次求解。每次进行这种迭代后，把其结果与一组收敛准则进行比较。分析的收敛判据中包括模型某一点或某些点的位移、转角、应力、应变以及总体应变能。p-水平越高，则有限元解越接近真实解。与H方法相比，P方法划分的网格数目要明显少很多，这正是P方法的优点，但随着P-水平的提高，单元形函数阶次的升高，求解过程将需要使用更多的计算机存储空间。在Prom的基本模式下，软件常常出现异常；无法对变流器柜体这样较大的计算模型划分网格，这是P方法的内在不足引起的。改为ProM的有限元模式划分H方法的网格时，能顺利地完成网格的参数控制、划分和质量检查。这也体现了ProM的求解能力弱于ANSYS，而建模功能强于ANSYS。
2.4 载荷和约束的处理
变流器柜体所承受的载荷包括自重、集中载荷、均布载荷。柜体的自重计算是通过定义模型的材料密度和重力加速度实现的。在处理安装部件(如变流器模块、电力电子电容器、控制箱、传感器等)所表现出来的载荷形式时，常常遇到很大的困难，这是因为这些部件一方面通过螺栓连接在安装板上，另一方面这些部件搁置在支撑的横梁上，属于复杂的接触分析问题。工程上常常采用将安装部件以质量单元的形式布置在对应的重心位置，通过一定的弹簧单元连接至安装位置。这种方法人为造成了局部的应力集中，对于几公斤的传感器和20kg的电力电子电容器而言，问题不大，但对于130kg的变流器模块或更大质量的组合单元，局部最大应力值会超出材料许用应力的数倍，会得出错误的分析结论。在分析时简化为同等质量和重心位置相同的实体模型，其计算结果更为合理。
变流器柜体常常吊装于车体底部或安装于车体内部，与转向架和车体的受力情况不同，TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》、TB/T2541一1995《内燃、电力机车车体静强度试验方法》给出了垂直静载、垂直动载、启动牵引、运行牵引、纵向压缩、纵向拉伸、整车起吊、组合冲击等工况。TB/T3058-2002《铁路应用机车车辆设备冲击和振动试验》采用近代的随机振动试验代替传统的正弦振动试验，更准确地模拟机车车辆设备振动的环境条件，从而使试验结果更真实地反映机车车辆设备的实际运行情况。综合考虑了这些标准，在强度分析时认为变流器除考虑自身质量(即垂直载荷1g，1g=9.81 m/s2外，改变纵向载荷(5g和-5g，负号表示与正方向相反)、横向载荷(3g和-3g)和垂向载荷(3g和-3g )，用于考虑启动牵引、紧急制动、纵向冲击、横向冲击和垂向冲击的极限工况。
模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数，也是其他动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析等。ANSYS提供了7种模态提取方法，它们分别是子空间法、分块Lanczos法、Power Dynamics法、缩减法、非对称法、阻尼法和QR阻尼法，后两种方法允许在结构中存在阻尼。分块Lanczos法特征值求解器是默认求解器，和子空间法一样精确，速度更快，但要求比子空间法内存多50%。在进行变流器柜体模态分析时，时常出现模型规模太大，需改变模态提取方法的情况。
3 变流器柜体强度和刚度的评定
图1示出的变流器柜体材质采用不锈钢1Cr18Ni9Ti，其屈服强度和强度极限分别为
变流器采用吊装车底的安装方式，吊耳与车体通过螺栓进行固定。表1给出了不同载荷情况的计算结果。
由图3(a)和图4(a)可看出，最大应力出现在吊耳处，这是因为载荷集中体现在吊耳上。图3(b)和图4(b)是位移变形情况，最大位移出现在隔板和上下底板。最大应力小于材料的屈服强度，最大位移量在允许范围内，说明该变流器柜休的静强度满足要求。
图3 纵向5g、垂向1g的计算载荷
Fig.3 Longitudinal load：5g；vertical load： 1g
图4 横向3g、垂向1g的计算载荷
Fig.4 Lateral load： 3g； vertical load： 1g
图5一图8分别是第1阶至第4阶振动频率对应的振型，第1阶振动频率时电容器箱体盖板的变形最大，第2-4阶振动频率时顶板的变形最大。该变流器的第1阶振动频率为67.24 Hz，大于设计要求的30 Hz，说明该变流器柜体刚度足够，可避免安装器件以及柜体的共振现象。
图5 第1阶振动频率(67.24 Hz)对应的振型
Fig.5 The mode of variation at first-order natural frequency (67.24 Hz)
图6 第2阶振动频率(77.55 Hz)对应的振型
Fig.6 The mode of variation at second-order natural frequency (77.55 Hz)
图7 第3阶振动频率(81.15 Hz)对应的振型
Fig.7 The mode of variation at third-order natural frequency (81.15 Hz)
图8 第4阶振动频率(86.04 Hz)对应的振型
Fig.8 The mode of variation at forth-order natural frequency (86.04 Hz)
4 结论
变流器柜体有限元模型建立的好坏是直接关系到计算结果是否合理和正确的重要问题。需要对变流器柜体的钣金件抽取中间曲面，简化计算模型，对焊缝和螺栓连接进行合理设置，从而能够准确表达结构内部的应力分布和变形。基于ProE的实体建模、有限元模型建立和ANSYS的计算求解，可以方便、有效地计算变流器柜体之类复杂的装配模型。通过静强度和振动模态计算分析，说明该变流器柜体结构设计合理，具有较高的强度和刚度，能够满足使用要求。因此，在变流器等产品设计的早期阶段，利用基于ProE和ANSYS的有限元分析方法可以为产品设计、改进和优化提供依据，大大缩短设计周期，提高产品可靠性。
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