基于OptiStruct的地铁车辆Radio天线支架优化设计

张德峰1 王兴文1  姜大元1
1南车南京浦镇车辆有限公司、南京、210031

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。
关键字：形貌优化，天线支架，快速设计，Optistruct

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。

          图1 天线支架的安装                              图2 有限元模型

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。

图3a 一阶天线安装面上下振动 图3b 二阶围绕横向中心扭转

图3b 三阶上部整体左右晃动 图4 细化的有限元模型

3 优化结果分析

对有限元模型进行重新划分，将上部天线安装面作为优化区域，该优化区域主要使用四边形网格划分，同时为考虑优化分析，将网格进一步细化，网格划分结果如图4所示，约为12000个单元，8500个节点。设置topography形貌优化的参数，将起筋高度设置为16mm，起筋斜度设置为89°接近于垂直。该形貌优化参数的确定是考虑到优化后该天线安装面仍需为平面结构，因此只能在圆盘背部焊接加强筋的形式，又由于焊接结构的需要，加强筋高度至少为15mm，考虑到天线支架的厚度，因此将起筋高度设置为16mm。在形貌优化加入双面对称设置，为确保优化结果提高第一阶上下振动模型，打开模态跟踪选项，设置第一阶振动频率为优化目标，进行优化分析。

共经过17个优化步骤得到最终的优化结果，优化结果见图5所示，结果显示了天线安装面中起筋的高度和起筋范围。优化后的上下振动的振型的固有频率为95Hz，大幅提高了该振型模态的固有频率。优化后的一阶振型为上部左右整体振动，固有频率为47Hz；横向扭转振型对应的频率为72Hz，仍为第二阶振动振型；上下振动的振型已为第三阶振型。由于需继续保持天线安装面的平面的形状，因此仅能在起筋的突起部位焊接加强筋板，加强筋板高度为15mm，保持和天线支架的同样厚度，改进后的天线支架三维模型见图6

图5 优化结果                            图6 重新设计的三维模型

4 优化后模型的重新校核

在HyperMesh中重新建立新设计的Radio天线支架安装的有限元模型，使用HyperWorks自带的RADIOSS求解器重新进行模态分析。改进后的模型第一阶固有频率为35Hz，表现为横向中心扭转振动；第二阶固有频率为54Hz，表现为天线安装面上下振动；第三阶固有频率为57Hz，表现为安装面上部的整体左右振动。改进后的天线支架其固有频率均有所提高，且远离IEC61373标准中规定的试验振动的正常振动频率范围，因此可以认为满足使用要求。

5 结论

本文以某型地铁的Radio天线支架的优化分析为例，根据其设计需要建立了topography形貌优化分析模型，根据优化结构重新设计了天线安装支架的三维模型，并对三维模型进行了校核分析，结果表明根据优化结构重新设计的三维模型满足标准要求的振动频率范围，增加了Radio天线的可靠性。本优化案例联合应用了HyperWorks下的OptiStruct优化软件与RADIOSS分析软件等软件缩短了设计周期，获得了较为满意的优化结果，因此在轨道车辆行业的结构设计中，必能获得广泛的应用。

6参考文献

[1] 王苏号,贾方,王兴松. 基于OptiStruct的伺服压力机机身拓扑优化,锻压装备与制造技术.2007, (6):34-36.
[2] 代智军，刘海波，周新. OptiStruct在汽车消声器外壳优化设计中的应用，结构及多学科优化工程应用与理论研讨会. 2009（CSMO-2009）论文集
[3] OptiStruct User’s Manual, Altair Company.

The optimization and design of Metro’s Radio antenna support by OptiStruct
Zhang Defeng   Wang Xingwen   Jiang Dayuan

Abstract：Radio antenna is the important part in Metro line to transfer information between lines, broadcast to passengers from the control center, and transfer metroline’s bug real time. So the installation of Radio antenna must be reliable and the nature frequency is far away the metroline’s running frequency range. But a support with a large area is necessary to enforce the information of Radio antenna as the reflecting surface. With the result, the whole assembly has a lower nature frequency and is lead to vibrate, so the life of antenna may be reduced and the information transmission is unnormal. In this paper some metro’s Radio antenna  is analyzed and topography-optimized based the optimization software OptiStruct of Altair. In the end, the analysis and redesign of topography optimization result is doing to have the best design according to the machining characteristic and economy.
Key word:  topography optimization, antenna support , speed design, OptiStruct