一种变流器柜体振动仿真模型构建方法与流程
本发明涉及一种振动仿真技术领域，尤其涉及一种用于列车等轨道交通的变流器柜体振动仿真模型构建方法。
背景技术：
轨道交通车辆用变流器可以分为牵引变流器和辅助变流器等，是实现轨道交通车辆正常运行的重要设备。从功能结构上来看，这些变流器基本上可以分为柜体和电气部件(如变流器模块、控制箱、变压器、电抗器、风机、接触器、母排与导线等)。变压器、电抗器等电磁部件在工作过程中会因为磁致伸缩效应而产生较大的电磁振动；风机因功率较大、转速较高、风压流量较大等而产生较大的机械振动；接触器在闭合瞬间会产生较大的冲击力；柜体风道和盖板较薄，固有频率较低，很容易在低频段产生声腔共振与结构共振。地铁和动车的变流器悬挂在车体底部，变流器电气部件的振动可以直接通过柜体吊耳、车体安装梁传递到车体地板，引起人体的不适。
在轨道交通的变流器柜体设计中，振动与轻量化、通风冷却等相互制约，随着变流器向高效率、高功率密度、体积小、重量轻等方向发展，很容易出现振动过大的问题。目前，变流器的振动问题主要通过测试分析的手段加以解决，需要在变流器柜体和电气部件上布置大量的加速度传感器，进行诸如振动响应、模态等测试，开展传递路径、传递函数、贡献量、振动源识别等分析。受传感器通道数、现场测试条件等影响，很难对变流器的振动情况进行全方位的了解。随着计算机技术与数值模拟技术的发展，振动仿真技术逐步成熟，商业软件功能逐步加强，仿真方法已经逐步得到应用，比如模态分析、瞬态动力学分析、随机振动分析等类型是商业有限元软件的标准配置。然而，振动问题涉及到多学科多物理场，相当复杂，目前的仿真分析存在以下问题：1)没有完整的分析流程。振动问题很难通过一款商业软件加以解决，即便通过一款商业软件去开展，也需要大量的参数设置与定制开发工作来实现其它商业软件中成熟好用的功能。文献中多关注于振动问题的某一方面，很少对变流器有限元模型修正、载荷识别等进行合理组合。2)仿真精度不高。由于有限元计算需要对系统做一些简化，例如一些非线性参数变成线性参数，使得有限元计算模型不完全代表真实的物理模型，从而使得有限元计算结果与真实的结果有一些偏差。模态分析是各种动力学分析类型的基础，很多计算结果都是基于模态叠加得到，现有大多数的仿真模型中，没有考虑仿真模态与试验模态的对比与灵敏性分析，必然导致仿真模型的输入有偏差，误差在后续的各环节中不断累积，最终导致仿真精度不高，使得仿真结果的可用性变差，没有充分发挥出仿真模型应有的指导价值。
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，本发明提供一种可有效保证仿真结果的准确性、仿真精度高的变流器柜体振动仿真模型构建方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种变流器柜体振动仿真模型构建方法，包括如下步骤：
s1.构建变流器柜体的有限元模型；
s2.仿真计算所述有限元模型的仿真模态，引入变流器柜体的实际试验的试验模态，验证所述仿真模态与试验模态之间的一致性是否满足预设的第一一致性标准，满足则跳转至步骤s3，不满足则修正所述有限元模型的参数，重复步骤s2；
s3.以所述实际试验的实际响应数据为所述有限元模型的输入，仿真计算激励点的载荷；
s4.以步骤s3中计算得到的所述激励点的载荷为所述有限元模型的输入，仿真计算响应点的仿真响应输出；
s5.验证所述实际响应数据与所述仿真响应输出之间的一致性是否满足预设的第二一致性标准，满足则完成振动仿真模型的构建，不满足则修正所述有限元模型的刚度参数，跳转至步骤s4。
作为本发明的进一步改进，所述变流器柜体的有限元模型包括变流器柜体本身的有限元模型和安装结构体的有限元模型。
作为本发明的进一步改进，所述安装结构体的有限元模型包括车体安装部位的有限元模型、或变流器柜体试验台架的有限元模型。
作为本发明的进一步改进，在步骤s1之后，还包括步骤s1a对所述有限元模型进行参数灵敏性分析：分析所述有限元模型中各参数对仿真模态的影响程度，根据所述影响程度确定所述有限元模型的主要参数。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤s1a中，在确定有限元模型的主要参数后，还包括根据所述影响程度确定有限元模型的次要参数。
作为本发明的进一步改进，所述步骤s2中，通过前50阶的仿真模态与试验模态来验证所述仿真模态与试验模态之间的一致性是否满足预设的第一一致性标准。
作为本发明的进一步改进，所述第一一致性标准包括预设的正交标准值和预设的第一允许误差值；所述步骤s2的具体步骤包括：
s2.1.引入预先对所述变流器柜体实际进行模态试验的试验模态；
s2.2.在所述有限元模型中进行仿真试验，获取有限元模型的仿真模态；
s2.3.计算所述仿真模态与所述试验模态之间正交置信度值，计算所述仿真模态的振动频率与所述试验模态的振动频率之间的频率值误差，当所述正交置信度值大于所述正交标准值，且所述频率值误差小于所述第一允许误差值时，跳转至步骤s3，否则，修正所述有限元模型的参数，跳转至步骤s2.2。
作为本发明的进一步改进，所述仿真模态与所述试验模态之间正交置信度值通过式(1)所示公式计算：
式(1)中，mac为所述正交置信度值，{a}test为试验模态振型，{a}fem为仿真模态振型。
作为本发明的进一步改进，所述正交标准值取值为0.8；所述第一允许误差值的取值范围为5％至8％。
作为本发明的进一步改进，步骤s2.2中所述获取有限元模型的仿真模态包括仿真计算得到的1000hz以内的所有模态。
作为本发明的进一步改进，所述步骤s3的具体步骤包括：
s3.1.确定所述有限元模型中激励点到响应点之间的传递函数；
s3.2.以所述实际试验的响应数据为所述有限元模型的响应点的输入参数，通过所述传递函数计算激励点的载荷。
作为本发明的进一步改进，步骤s5的具体步骤包括：
s5.1.分析确定步骤s4中所述仿真响应输出的仿真加速度频谱曲线；
s5.2.引入预先对所述实际响应数据进行分析所确定的实际加速度频谱曲线；
s5.3.比较所述仿真加速度频谱曲线与所述实际加速度频谱曲线在对应频率点下的加速度峰值之间的峰值误差，当所述峰值误差小于预设的第二允许误差值时，完成振动仿真模型构建；否则修正所述有限元模型的刚度参数，跳转至步骤s4。
作为本发明的进一步改进，所述刚度参数指变流器柜体本身的有限元模型与安装结构体的有限元模型的连接刚度参数，包括平动刚度参数和扭转刚度参数。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的变流器柜体振动仿真模型构建方法充分考虑了仿真模态的叠加构成，选择1000hz以内的全部模态进行，并考虑了仿真模态与试验模态之间的偏差，并通过误差分析对有限元模型进行修正，防止误差在仿真模型中累积，从而保证本发明方法所构建的仿真模型仿真度高，仿真结果准确性好、精度高，可有效提高仿真结果对工程实践的指导作用。
附图说明
图1为本发明具体实施例的流程示意图。
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。
变流器柜振动问题属于多自由度系统的振动问题，其动力学方程是耦合方程，很难直接求解，借助于模态的振型、质量矩阵和刚度矩阵这3个基本量的正交性，可以将耦合方程转换为线性方程，因此，模态叠加方法是工程应用中使用非常广泛的一种计算方法，也是其他动力学分析类型的基础。从工程计算的角度来看，并不需要计算全部的模态，一方面对于自由度数很大的系统，计算所有模态是不可能的，另一方面，工程实际证明在一定的动载荷作用下并不是所有的模态能被激起，因此，实际计算中往往取系统的有限阶模态代替全部的模态，需要取多少阶模态合适是一个关键。
因仿真中采用的简化假设与数学处理，仿真计算的振动响应与试验响应容易存在较大偏差。先计算出激励点到响应点的传递函数，然后利用实测的振动响应和仿真计算的传递函数，再利用矩阵求逆的方法反推算振动响应，如果反推算出的振动响应与实测的振动响应有较大误差，需要修正系统模型的参数，如连接刚度、材料弹性模量等，修正后系统的传递函数也发生变化，从而振动响应也发生变化，通过多次修正最终可使仿真计算的振动响应与试验测试的振动响应小于预定的误差，从而最大程度确保仿真模型的准确性。
本实施例中，采用如下方法构建变流器柜体振动仿真模型。s1.构建变流器柜体的有限元模型；具体实现过程为：通过hypermesh、ansa等专业前处理软件创建变流器柜体本身的有限元模型和安装结构体的有限元模型。在本实施例中，安装结构体的有限元模型是车体安装部位的有限元模型，以确保有限元模型尽可能与实际装车条件(如吊装方式)相符。需要说明的是，当车体安装部位的有限元模型无法创建时，可以创建变流器柜体试验台架的有限元模型，以模拟在制造车间变流器柜体安装(吊装)在试验台架上的情况。通过构建包括变流器柜体本身的有限元模型和安装结构体的有限元模型的有限元模型，可以真实的反映变流器柜体在实际中的安装状态。
在本实施例中，由于需要引入变流器柜体的试验模态，因此需要预先对变流器柜体进行实际试验，并通过测量以获得变流器柜体的试验模态。具体为：建立符合振动试验要求的变流器柜体振动试验环境，如通过将变流器柜体用软绳悬挂起来或者采用弹性支撑，通过锤击法或激振器激励法等方法测量变流器柜体的试验模态，试验模态包括变流器柜体整体框架的模态和盖板的模态。实际试验中的试验模态数据通过布设在变流器柜体上的传感器获取。试验模态用于验证有限元模型的准确度、真实度。
在本实施例中，利用nastran、ansys、abaqus等专业有限元软件计算有限元模型的仿真模态。由于仿真的计算结果大都是基于模态叠加而得到，为了保证有限元仿真模型的仿真模态的叠加结果的准确性，本实施例中，获取有限元模型的仿真试验的1000hz以内的所有模态，以保证模态叠加的准确性和精度。
由于有限元模型中涉及的参数众多，而不同的参数对有限元模型的仿真模态会产生不同的影响，其影响程度也各不相同。比如，某些参数只要进行微小的调整，即大幅度的改变有限元模型的仿真模态，而某些参数进行较大调整，对有限元模型的仿真模态也只产生较小的影响。因此，在本实施例中，通过virtual.lab及具有相同功能的软件对有限元模型中的参数进行灵敏性分析，通过灵敏性分析确定有限元模型中各参数对仿真模态的影响程度，并根据影响程度对参数进行排序，确定影响程度最大的n的参数为有限元模型的主要参数。n的值可根据有限元模型的具体情况而选定。在本实施例中，可进一步对主要参数进行划分，在前面所选择的主要参数中优先选择变流器柜体有限元模型中关于材料与连接结构的参数作为主要参数。在确定好有限元模型的主要参数后，还可以在其余参数中确定m个次要参数，次要参数的调整对有限元模型的仿真模态的影响程度较小，可以用于对有限元模型的仿真模态进行微调。通过确定有限元模型的主要参数和次要参数，在对有限元模型进行修正时，可以根据要修正量的大小快速的选择相应的参数进行调整，从而快速实现构建出符合要求的有限元模型的目标。
由于有限元模型是相对于实物进行简化所构建的仿真模型，因此，有限元模型无法完全真实的表征实物的全部特性，两者之间往往会有一定的偏差。而这种偏差往往在有限元模型的仿真各环节中不断积累，从而导致通过有限元模型仿真得到的最后结果可能出现较大误差，仿真精度不高。因此，本实施例中，需要对所建立的有限元模型进行修正，从而最大限度的保证有限元模型的仿真特性与实物之间具有较高的一致性，从而保证有限元模型具有较高的仿真精度。
在本实施例中，在virtual.lab及具有相同功能的软件中导入试验模态的振型和仿真模态的振型，确定有限元模型中与变流器柜体实际试验中布设传感器的测点相对应的点，分别提取这些点在试验模态和仿真模态下的位移，分别进行振型的对比和频率的对比。理论上，模态有振型、质量矩阵和刚度矩阵这3个正交性的基本性质，可以从模态的频率和模态振型的正交性上进行计算与试验模态的相互验证。由于有限元计算模态和试验模态都有可能出现偏差，有限元计算模态和试验模态之间并不完全满足正交性。因此，在本实施例中，设置一个正交置信度值mac，如式(1)所示。
式(1)中，mac为所述正交置信度值，{a}test为试验模态振型，{a}fem为仿真模态振型，
在本实施例中，s2.仿真计算所述有限元模型的仿真模态，引入变流器柜体的实际试验的试验模态，验证所述仿真模态与试验模态之间的一致性是否满足预设的第一一致性标准，满足则跳转至步骤s3，不满足则修正所述有限元模型的参数，重复步骤s2。在本实施例中，选择前50阶的仿真模态与试验模态来验证所述仿真模态与试验模态之间的一致性是否满足预设的第一一致性标准。计算所述仿真模态与所述试验模态之间正交置信度值，计算所述仿真模态的振动频率与所述试验模态的振动频率之间的频率值误差，当所述正交置信度值大于所述正交标准值，且所述频率值误差小于所述第一允许误差值时，跳转至步骤s3，否则，修正所述有限元模型的参数，跳转至步骤s2.2。当仿真模态与试验模态的mac值大于0.8且两者之间的频率值误差小于预设的第一允许误差值时，可以认为有限元模型的精度满足要求，否则需要对有限元模型进行修正。本实施例中，频率值误差为仿真模态的振动频率与所述试验模态的振动频率之差的绝对除以试验模态的振动频率所确定的相对误差，第一允许误差值的取值范围为5％至8％。当需要对有限元模型进行修正时，对上述有限元模型参数灵敏性分析中所确定的主要参数和次要参数进行调整修正。通过对主要参数进行修正，可以快速缩小仿真模态与试验模态之间的误差，通过对次要参数进行修正，可以进一步在缩小仿真模态与试验模态之间的误差，从而提高有限元模型的精度。当然，当只需要通过修正主要参数即可满足预设的第一允许误差值时，仅修正主要参数即可。对次要参数的修正只是一个可选步骤，以求达到最优状态。在本实施例中，在每次对有限元模型的参数进行修正后，需要再次通过修正后的有限元模型仿真计算仿真模态，并再次比较仿真模态与试验模态的mac值和两者之间的频率值误差，当误差仍大于预设的第一允许误差值时，需要再次对有限元模型的参数进行修正，直到mac值大于0.8且频率值误差小于预设的第一允许误差值。因此，对有限元模型的参数进行修正的过程可能需要进行多次。基于多次灵敏性分析与修正计算后，最终确定参数完善后的有限元模型。这些参数可以整理为参数库，为后续同类产品的仿真分析提供输入，可以减少同类产品计算模态与试验模态的重复对比，节省时间与资源。
在本实施例中，步骤s3的具体步骤包括：s3.1.确定所述有限元模型中激励点到响应点之间的传递函数；s3.2.以所述实际试验的响应数据为所述有限元模型的响应点的输入参数，通过所述传递函数计算激励点的载荷。在得到参数修正完善后的有限元模型后，通过virtual.lab软件计算有限元模型载荷输入点和响应点之间的传递函数，传递函数用于载荷识别，同时还可以用于传递路径分析与优化改进。有限元模型载荷输入点和响应点的位置与对变流器柜体进行实际实验的载荷输入点和响应点相对应。当然，还可以根据需要确定有限元模型中任意两点之间的传递函数。通过传递函数，可以模拟实际试验中载荷输入点的激励与响应点的振动响应之间的传递关系。
在本实施例中，步骤s5的具体步骤包括：s5.1.分析确定步骤s4中所述仿真响应输出的仿真加速度频谱曲线；s5.2.引入预先对所述实际响应数据进行分析所确定的实际加速度频谱曲线；s5.3.比较所述仿真加速度频谱曲线与所述实际加速度频谱曲线在对应频率点下的加速度峰值之间的峰值误差，当所述峰值误差小于预设的第二允许误差值时，完成振动仿真模型构建；否则修正所述有限元模型的刚度参数，跳转至步骤s4。通过以实际试验中得到的响应点的响应数据作为有限元模型的输入，由于传递函数确定了载荷输入点(激励点)至响应点之间的传递关系，在virtual.lab软件中，以矩阵求逆的方法即可反推算出载荷输入点的载荷。
在本实施例中，将通过virtual.lab软件计算得到的有限元模型中载荷输入点的载荷作为输入参数，再次通过virtual.lab软件计算响应点的振动响应。由于整体系统的复杂性，以及多个载荷输入点和多个响应点之间的耦合关系的原因，此处计算得到的振动响应与上述作为有限元模型的输入的实际试验的响应数据并不会一致，因此，需要再次对有限元模型进行评估。在本实施例中，通过virtual.lab软件对比实际试验中得到的响应点的响应数据和通过virtual.lab软件计算得到的响应点的振动响应数据。当仿真加速度频谱曲线与所述实际加速度频谱曲线在对应频率点下的加速度峰值之间的峰值误差小于第二允许误差值时，认为有限元模型满足精度要求，否则需要进一步的修正优化。在本实施例中，峰值误差指仿真加速度频谱曲线的加速度峰值与实际加速度频谱曲线的加速度峰值之差的绝对值除以实际加速度频谱曲线的加速度峰值所确定的相对误差。第二允许误差值的取值范围为5％至8％。
在本实施例中，对有限元模型进一步修正优化时，选择修正有限元模型中变流器柜体本身的有限元模型和安装结构体的有限元模型之间的连接刚度参数，刚度参数包括平动刚度参数和扭转刚度参数。设本实施例中变流器柜体本身的有限元模型通过吊耳与安装结构体的有限元模型之间连接，每个吊耳与安装结构体有直角坐标系x、y和z3个方向的平动刚度(kx、ky和kz)，以及直角坐标系x、y和z3个方向的扭转刚度(krx、kry和krz)。每次对刚度参数进行修正后，再次通过virtual.lab软件，以前面通过仿真计算得到的载荷输入点的载荷作为输入参数，再次仿真计算响应点的振动响应，并再次进行评估，直到仿真得到的振动响应与实际试验得到的响应数据之间的误差满足上述的评估要求，得到最终确定的有限元模型。在本实施例中，通过在virtual.lab软件中选择序列二次规划修正策略，经过多次迭代后，即可完成优化。
在本实施例中，在得到最终确定的有限元模型后，即可通过仿真对变流器柜体进行仿真设计。通过virtual.lab软件，选择变流器柜体需要仿真优化的目标，如在恶劣工况下变流器柜体响应点的最大振幅，保持有限元模型中变流器柜体质量不变的情况下，调整有限元仿真模型中包括结构件阻尼、刚度在内的系统参数来降低振动，从而实现变流器柜体在满足轻量化条件下的降噪设计。
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。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！