ATC天线支架断裂原因分析及设计改进_张明阳

1、altair 2011 hyperworks 技术大会论文集 1 atc 天线支架断裂原因分析及设计改进张明阳龙章华南车南京浦镇车辆有限公司，南京，210031 摘 要：采用 cae 应用软件hyperworks ，建立了atc（ automatic train control列车自动控制）天线支架的三维有限元模型，对之进行模态分析，找出支架断裂原因，提出设计改进方向， 并对改进方案支架再次进行模态分析，使之满足设计要求。其分析流程对结构设计及改进有一定指导意义。关键词： hyperworks，断裂，模态分析，设计改进1 概述本文所述 atc 天线支架是为地铁车辆设计的新型结构，作为 atc

2、天线及轮缘润滑喷嘴的安装座， 安装于转向架端部。其结构的可靠性和承受振动冲击的能力，将直接影响车辆系统信号接收及车辆运行安全，因此必须保证其具有足够的静刚度以满足设计要求。为了验证此 atc 天线支架的结构强度及在车辆正常振动和冲击环境下承受振动冲击的能力，对原型支架进行了强度计算和振动冲击试验。原型支架经计算满足强度要求，但却未能通过振动冲击试验，在试验过程中发生断裂。为了分析原型支架发生断裂的原因并辅助设计方案的改进，利用业界知名的cae 应用软件hyperworks对其进行了模态分析。根据分析结果对原型支架进行了优化设计，并再次对改进方案支架进行计算分析和试验验证，最终满足设计要求。hy

3、perworks作为高效的cae 软件集前后处理与求解器于一体，功能全面，操作便捷，因此本文选用hypermesh建立支架的有限元模型，选用radioss求解器完成对模型的模态分析得到模型的固有频率和相应振型，使用hyperview进行后处理对所产生的模态计算结果进行剖析，其分析结果为结构设计和改进提供参考依据。2 原型支架模态分析2.1 模型的建立atc 天线支架原设计方案主要由atc 天线安装支架、 轮缘润滑器喷嘴安装板和筋板三部分组成，如图1所示。计算模型的建立， 使用 cad 软件 catia 创建几何模型， 然后将几何模型导入hypermesh进行几何清理，最后采用四面体单元对模型进

4、行网格划分建立有限元模型。图2为建立的原设计方案支架的有限元计算模型，模型结点数37922 ，单元数 155748 。altair 2011 hyperworks 技术大会论文集 2 图1 原型支架几何模型图2 原型支架有限元计算模型2.2 材料属性atc 天线支架所用材料牌号为p355nl1 ，材料参数如下：屈服强度： 355mpa 弹性模量： 210gp a 材料密度： 7850kg/m3泊松比： 0.3 2.3 模态分析及方案改进因支架采用螺栓固定于构架端部，实际运行过程中主要承受中低频振动，较低频率的振动现象较为显著， 过高频率振动对其影响可以忽略不计，固在支架上端部四个螺栓孔处设定约

5、束， 锁定全部六个自由度，使用 radioss 求解器对支架模型进行约束模态分析，采用 block lanczos 模态提取方法，仅计算前6阶模态固有频率和相应振型。1-6阶模态频率分析结果如表1所示。根据支架的结构和功能特点，更关心的是其一阶弯曲模态，如图3所示。altair 2011 hyperworks 技术大会论文集 3 表1 原型支架模态分结果阶次固有频率（ hz）1 29.1 2 141.8 3 169.1 4 252.5 5 397.3 6 598.9 图3 原型支架第 1阶模态振型云图从图中可以看出，其一阶模态主要由atc 天线安装支架的弯曲模态组成，其中支架下端部的摆动幅度最

6、大；支架一阶弯曲模态频率为29.1hz ，此频率过低和试验测得低阶激振频率相接近，在运行过程中会发生共振，这就是导致支架断裂的原因。因此，原型支架整体刚度不足不满足设计要求，需进行改进设计。拟定可行的设计改进方案如下：1. 采用其它材料，增强支架的支持强度；2. 增加支架板厚，从而增强其整体刚度，进而改善其模态；3. 在相应振幅较大处设置补强板，改善其整体振动性能。综合考虑材料、 成本、工艺、造型及生产实际等各方面因素，采用第三种方案较为合理。在atc 天线支架纵向中间位置设置补强板，改进后的实体模型如图4所示。altair 2011 hyperworks 技术大会论文集 4 图4 改进支架几

7、何模型3 改进支架模态分析为具有可比性， 采用和原设计方案模型相同设置，对改进方案模型进行网格划分建立有限元模型，并再次对其进行约束模态分析，模态频率分析结果如表2所示。表 2 改进支架约束模态分结果阶次固有频率（ hz）1 60.5 2 163.7 3 201.6 4 271.8 5 479.5 6 664.7 其一阶模态优化结果如图5所示。根据结果分析， 改进方案模态频率得到显著提高，已远避开了低价激振频率，而模型仅增重 9.3% ，质量增加仍在允许优化范围之内。经试验和装车运行验证，改进方案设计模态性能优异，大大提高了 atc 天线支架的整体刚度，明显改善了atc 天线支架的整体振动性能

8、，说明此次改进设计是成功的。altair 2011 hyperworks 技术大会论文集 5 图5 改进支架第 1阶模态振型云图4 结论通过对 atc 天线支架结构的有限元模态分析，找出其发生断裂的原因并提出多种设计改进方案。 通过对所选改进方案的进一步分析对比，证明所选改进方案具有较好的刚度，是一种经济实用的改进方案。这是hyperworks 软件在本次结构设计分析中的成功应用。cae 技术在结构选型和设计过程中的应用可以较早地预测结构动态特性设计的不足，为设计师结构优化设计提供依据并指明方向，从而可在设计之初对结构进行设计改进，减少后期设计难度，缩短产品研发周期，提高设计可靠性。cae 分

9、析方法对结构设计和辅助改进具有重要意义。5 参考文献1 altair engineering inc. hyperworks users guide, 2008 2 李楚琳，张胜兰，冯樱，等. hyperworks 分析应用实例，机械工业出版社，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