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基于OptiStruct的地铁车辆Radio天线支架优化设计

作者:张德峰 王兴文 姜大元    来源:佳工机电网    发布时间:2013-01-17    收藏】 【打印】  复制连接  【 】 我来说两句:(0逛逛论坛

摘 要:Radio天线为地铁车辆重要部件,负责车辆间通讯、控制中心向列车广播的功能及列车故障信息实时输送功能,因此Radio天线的安装必须牢固可靠,Radio天线安装支架的固有频率需远离地铁车辆运行振动频率范围。但是Radio天线需要安装支架有大幅面作为反射面增加信号强度,安装支架的幅面较大往往会降低整体固有频率,车辆运行中易引起Radio天线整体振动,可能降低天线的使用寿命或者影响天线的正常信号传输,因此需要在设计中提高Radio天线安装的整体模态频率。本文以某型号地铁的Radio天线支架为例,基于Altair公司的优化软件OptiStruct模块的形貌优化功能和RADIOSS分析功能在Radio天线天线支架初步设计的基础上进行优化分析设计,并充分考虑加工工艺性和降本增效的理念,最终确定满足使用要求的Radio天线的最优设计。

1 概述

随着现代社会的发展,目前更多的城市越来越重视地铁轨道交通的发展,城市轨道交通完成的运量在公共交通运量中的比例越来越大。车载无线调度通信(无线通信) 系统负责连通车辆间通讯作用,其起到作用如下:1)提供驾驶员与控制中心双向通话功能;2)控制中心对乘客进行广播(向乘客广播自动完成,无需司机干涉);3)列车故障信息实时送到控制中心和车辆段。Radio天线是车载无线调度通信系统的接收端和发射端,在车辆通讯和调度中起到重要的作用。并为增强通讯信号,Radio天线必须安装在直径不小于300mm的金属板平面中间,该金属板平面作为Radio天线的反射板。

IEC61373《铁道车辆设备冲击和振动试验标准》中规定车载设备的振动试验的频率范围,5Hz至20Hz范围内为正常振动频率范围,20Hz以上至150Hz范围内以-6db/oct衰减,因此Radio天线的安装系统的固有频率应远离5至20Hz的范围,通常为更保险的设计考虑,尽可能提高其一阶固有频率。

2 有限元模型的建立和初步分析

2.1有限元模型的建立

Radio天线支架为碳钢结构,Radio天线使用螺钉紧钉在天线支架上,天线支架焊接在司机室钢骨架上,见图1所示。天线支架的初步设计为U形支架结构,中间Radio天线安装面为大的圆盘平面,用来反射无线信号。为减轻结构重量,在支架两侧增开减重孔。

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根据初步设计的三维结构进行网格划分,并进行初步模态分析。根据模态分析结果判断模态频率是否远离IEC61373标准规定的振动试验中正常振动频率范围。支架使用普通碳钢材料,弹性模量取2.06×105MPa,泊松比为0.3。网格整体采用shell单元三角形网格,天线支架使用1D质量点划分,使用Rbe3单元连接在螺孔处,共划分约为7000个单元,3800个节点。折弯翻边周围网格使用全约束固定,进行模态分析。

2.2有限元模型初步分析

对已划分好的模型使用RADIOSS进行初步分析,前三阶的固有频率分别为29Hz、31Hz和34Hz,其振型分别天线安装面的上下振动、天线安装面围绕横向中心的扭动及上面部分整体左右晃动。其振型图分别见下图3所示。

第一阶振型主要表现为上下振动,且固有频率为29Hz,固有频率较低,因此需要提高该阶振型的固有频率。

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