一种轨道交通车辆变压器有限元仿真模型构建方法与流程

本发明涉及一种模态仿真技术领域，尤其涉及一种轨道交通车辆变压器有限元仿真模型构建方法。

背景技术：

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，是轨道交通车辆中的重要组成部分。变压器受磁致伸缩效应的影响，存在较为明显的振动和电磁噪声，是轨道交通车辆中的振动噪声源之一。变压器的模态是影响其振动噪声的一个重要因素，当变压器固有频率与激振力频率接近或相等时，即使很小的激振力也会产生较大的振动噪声。为了避免共振的发生，进而降低变压器振动噪声，需要对变压器模态参数进行计算分析。

变压器模态参数的分析方法主要有模态试验和仿真计算两种方法。模态试验方法可以较为准确地测得变压器整体或局部的模态参数，缺点在于该方法需要基于已有的变压器样机进行试验分析，且试验过程及结果容易受场地、设备、人员等影响。仿真计算方法主要借助有限元方法，采用一定的简化假设后进行网格划分与计算分析，可以在变压器产品设计阶段预先对产品结构进行评估及结构优化，很大程度上缩短了产品研发周期，节约了成本。由于变压器的铁心由硅钢片叠压而成，叠压方向的弹性模量、刚度等要小于其他方向，如假设为各项同性材料参数，仿真结果的偏差将较大，假设为各向异性材料参数时，参数的选取尚无明确可用的规则。同理，绕组并非实体铜制成，而是用多股、多匝导线绕制而成，各方向的弹性模量也有所区别。现有的文献中较少考虑材料各向异性的特点，导致仿真模型真实性较差，通过仿真模型进行仿真计算的精度较低。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够准确地计算变压器主要阶次固有频率，实现高精度的模态计算的轨道交通车辆变压器有限元仿真模型构建方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种轨道交通车辆变压器有限元仿真模型构建方法，包括如下步骤：

s1.根据变压器的结构构建变压器的有限元仿真模型；

s2.通过所述仿真模型计算变压器各阶次模态的振型和固有频率；

s3.比较所述各阶次模态的振型和固有频率与预先确定的标准振型和标准固有频率之间的误差，当所述误差不小于预设的阈值时，修改所述仿真模型的参数，跳转至步骤s2；当所述误差小于预设的阈值时，完成有限元仿真模型构建。

作为本发明的进一步改进，所述步骤s1所构建的有限元仿真模型中，仿真模型的参数包括材料属性参数和连接关系参数；材料属性参数包括，铁心叠片结构在叠片方向的弹性模量为叠片实际材料弹性模量的k1倍；绕组沿导线绕制方向上的导线弹性模量设置为绕组材料的实际弹性模量，导线轴向上的弹性模量为绕组材料的实际弹性模量的k2倍，导线径向上的弹性模量为绕组材料的实际弹性模量的k3倍；撑条在轴向上的弹性模量为撑条材料的实际弹性模量，撑条在径向上的弹性模量为撑条材料的实际弹性模量的k4倍；夹件绝缘的弹性模量为小于预设的n值。

作为本发明的进一步改进，k1的取值范围为0.1至0.3；k2的取值范围为0.2至0.5；k3的取值范围为0.2至0.5；k4的取值范围为小于0至1；n的取值范围为0.5-2gpa。

作为本发明的进一步改进，所述步骤s2中的振型和固有频率包括0至50阶模态的振型和固有频率。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤s3中，指比较1至12阶模态的振型和固有频率与预先确定的标准振型和标准固有频率之间的误差。

作为本发明的进一步改进，所述步骤s3中预设的阈值为5%。

作为本发明的进一步改进，步骤s3中所述预先确定的标准振型和标准固有频率是指对变压器进行模态试验所得到的振型和固有频率。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明基于变压器的结构和材料的等效性构建仿真模型，模型的参数通过模态试验修正，仿真模型的真实性高，通过仿真模型进行模态计算结果精度高。

2、本发明所构建的仿真模型，在后续平台类变压器产品的模态计算中，从而可直接用于产品设计阶段，缩短产品研发周期，节约成本。

附图说明

图1为本发明具体实施例流程示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例的轨道交通车辆变压器有限元仿真模型构建方法，步骤为：s1.根据变压器的结构构建变压器的有限元仿真模型；s2.通过所述仿真模型计算变压器各阶次模态的振型和固有频率；s3.比较所述各阶次模态的振型和固有频率与预先确定的标准振型和标准固有频率之间的误差，当所述误差不小于预设的阈值时，修改所述仿真模型的参数，跳转至步骤s2；当所述误差小于预设的阈值时，完成有限元仿真模型构建。

在本实施例中，所述步骤s1所构建的有限元仿真模型中，仿真模型的参数包括材料属性参数和连接关系参数；材料属性参数包括，铁心叠片结构在叠片方向的弹性模量为叠片实际材料弹性模量的k1倍；绕组沿导线绕制方向上的导线弹性模量设置为绕组材料的实际弹性模量，导线轴向上的弹性模量为绕组材料的实际弹性模量的k2倍，导线径向上的弹性模量为绕组材料的实际弹性模量的k3倍；撑条在轴向上的弹性模量为撑条材料的实际弹性模量，撑条在径向上的弹性模量为撑条材料的实际弹性模量的k4倍；夹件绝缘的弹性模量为小于预设的n值。在本实施例中，k1的取值范围为0.1至0.3；k2的取值范围为0.2至0.5；k3的取值范围为0.2至0.5；k4的取值范围为小于0至1；n的取值范围为0.5-2gpa。

在本实施例中，对变压器进行模态试验，得到变压器各阶次模态的振型和固有频率，即标准振型和标准固有频率。本实施例中选择1至50阶模态的振型和固有频率。并根据变压器中各器件的结构尺寸建立变压器的有限元结构仿真模型。在构建变压器的有限元结构仿真模型中，需要确定变压器铁心叠片结构各向异性弹性模量，由于铁心硅钢片的叠片结构，在本实施例中，叠片方向的弹性模量取硅钢片实际材料弹性模量的0.1~0.3倍；由于绕组并非全部为导线材质，而是多匝、多层导线绕制成的，导线绕制方向和轴向及径向上的弹性模量并不一致，在本实施例中，沿导线绕制方向上的导线弹性模量设置为材料实际弹性模量，轴向及径向上的弹性模量为原导线弹性模量的0.2~0.5倍；由于实际变压器中撑条与线圈、撑条与铁心之间并不完全接触，为了模拟等效接触面积，将撑条材料按各向异性模拟，在本实施例中，在轴向方向上按材料实际弹性模量给出，而在径向方向上弹性模量小于实际弹性模量；由于实际变压器结构中夹件、夹件绝缘与铁心之间、绕组部件与铁心之间并不完全接触，并且硅钢片与片之间在平面方向上可以产生滑移，为了模拟等效接触面积及铁心平面上的不完全约束，在本实施例中，将夹件绝缘作为等效接触等，取很小的弹性模量，其取值范围为：0.5-2gpa。

在本实施例中，构建完变压器的有限元结构仿真模型后，通过仿真模型计算变压器1至50阶模态的振型和固有频率。并将仿真模型计算得到的振型和固有频率按阶次分别与通过模态试验得到的标准振型和标准固有频率进行比较，当两者之间的误差大于等于5%时，对仿真模型的参数进行修正，重复该步骤直到误差小于5%，从而得到变压器的有限元仿真模型。在本实施例中，在进行误差比较时，可以根据需要，仅仅选择1至12阶模态的振型和固有频率进行比较计算误差。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。