一種變流器柜體振動仿真模型構建方法與流程
本發明涉及一種振動仿真技術領域，尤其涉及一種用于列車等軌道交通的變流器柜體振動仿真模型構建方法。
背景技術：
軌道交通車輛用變流器可以分為牽引變流器和輔助變流器等，是實現軌道交通車輛正常運行的重要設備。從功能結構上來看，這些變流器基本上可以分為柜體和電氣部件(如變流器模塊、控制箱、變壓器、電抗器、風機、接觸器、母排與導線等)。變壓器、電抗器等電磁部件在工作過程中會因為磁致伸縮效應而產生較大的電磁振動；風機因功率較大、轉速較高、風壓流量較大等而產生較大的機械振動；接觸器在閉合瞬間會產生較大的沖擊力；柜體風道和蓋板較薄，固有頻率較低，很容易在低頻段產生聲腔共振與結構共振。地鐵和動車的變流器懸掛在車體底部，變流器電氣部件的振動可以直接通過柜體吊耳、車體安裝梁傳遞到車體地板，引起人體的不適。
在軌道交通的變流器柜體設計中，振動與輕量化、通風冷卻等相互制約，隨著變流器向高效率、高功率密度、體積小、重量輕等方向發展，很容易出現振動過大的問題。目前，變流器的振動問題主要通過測試分析的手段加以解決，需要在變流器柜體和電氣部件上布置大量的加速度傳感器，進行諸如振動響應、模態等測試，開展傳遞路徑、傳遞函數、貢獻量、振動源識別等分析。受傳感器通道數、現場測試條件等影響，很難對變流器的振動情況進行全方位的了解。隨著計算機技術與數值模擬技術的發展，振動仿真技術逐步成熟，商業軟件功能逐步加強，仿真方法已經逐步得到應用，比如模態分析、瞬態動力學分析、隨機振動分析等類型是商業有限元軟件的標準配置。然而，振動問題涉及到多學科多物理場，相當復雜，目前的仿真分析存在以下問題：1)沒有完整的分析流程。振動問題很難通過一款商業軟件加以解決，即便通過一款商業軟件去開展，也需要大量的參數設置與定制開發工作來實現其它商業軟件中成熟好用的功能。文獻中多關注于振動問題的某一方面，很少對變流器有限元模型修正、載荷識別等進行合理組合。2)仿真精度不高。由于有限元計算需要對系統做一些簡化，例如一些非線性參數變成線性參數，使得有限元計算模型不完全代表真實的物理模型，從而使得有限元計算結果與真實的結果有一些偏差。模態分析是各種動力學分析類型的基礎，很多計算結果都是基于模態疊加得到，現有大多數的仿真模型中，沒有考慮仿真模態與試驗模態的對比與靈敏性分析，必然導致仿真模型的輸入有偏差，誤差在后續的各環節中不斷累積，最終導致仿真精度不高，使得仿真結果的可用性變差，沒有充分發揮出仿真模型應有的指導價值。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題就在于：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種可有效保證仿真結果的準確性、仿真精度高的變流器柜體振動仿真模型構建方法。
為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：一種變流器柜體振動仿真模型構建方法，包括如下步驟：
s1.構建變流器柜體的有限元模型；
s2.仿真計算所述有限元模型的仿真模態，引入變流器柜體的實際試驗的試驗模態，驗證所述仿真模態與試驗模態之間的一致性是否滿足預設的第一一致性標準，滿足則跳轉至步驟s3，不滿足則修正所述有限元模型的參數，重復步驟s2；
s3.以所述實際試驗的實際響應數據為所述有限元模型的輸入，仿真計算激勵點的載荷；
s4.以步驟s3中計算得到的所述激勵點的載荷為所述有限元模型的輸入，仿真計算響應點的仿真響應輸出；
s5.驗證所述實際響應數據與所述仿真響應輸出之間的一致性是否滿足預設的第二一致性標準，滿足則完成振動仿真模型的構建，不滿足則修正所述有限元模型的剛度參數，跳轉至步驟s4。
作為本發明的進一步改進，所述變流器柜體的有限元模型包括變流器柜體本身的有限元模型和安裝結構體的有限元模型。
作為本發明的進一步改進，所述安裝結構體的有限元模型包括車體安裝部位的有限元模型、或變流器柜體試驗臺架的有限元模型。
作為本發明的進一步改進，在步驟s1之后，還包括步驟s1a對所述有限元模型進行參數靈敏性分析：分析所述有限元模型中各參數對仿真模態的影響程度，根據所述影響程度確定所述有限元模型的主要參數。
作為本發明的進一步改進，在所述步驟s1a中，在確定有限元模型的主要參數后，還包括根據所述影響程度確定有限元模型的次要參數。
作為本發明的進一步改進，所述步驟s2中，通過前50階的仿真模態與試驗模態來驗證所述仿真模態與試驗模態之間的一致性是否滿足預設的第一一致性標準。
作為本發明的進一步改進，所述第一一致性標準包括預設的正交標準值和預設的第一允許誤差值；所述步驟s2的具體步驟包括：
s2.1.引入預先對所述變流器柜體實際進行模態試驗的試驗模態；
s2.2.在所述有限元模型中進行仿真試驗，獲取有限元模型的仿真模態；
s2.3.計算所述仿真模態與所述試驗模態之間正交置信度值，計算所述仿真模態的振動頻率與所述試驗模態的振動頻率之間的頻率值誤差，當所述正交置信度值大于所述正交標準值，且所述頻率值誤差小于所述第一允許誤差值時，跳轉至步驟s3，否則，修正所述有限元模型的參數，跳轉至步驟s2.2。
作為本發明的進一步改進，所述仿真模態與所述試驗模態之間正交置信度值通過式(1)所示公式計算：
式(1)中，mac為所述正交置信度值，{a}test為試驗模態振型，{a}fem為仿真模態振型。
作為本發明的進一步改進，所述正交標準值取值為0.8；所述第一允許誤差值的取值范圍為5％至8％。
作為本發明的進一步改進，步驟s2.2中所述獲取有限元模型的仿真模態包括仿真計算得到的1000hz以內的所有模態。
作為本發明的進一步改進，所述步驟s3的具體步驟包括：
s3.1.確定所述有限元模型中激勵點到響應點之間的傳遞函數；
s3.2.以所述實際試驗的響應數據為所述有限元模型的響應點的輸入參數，通過所述傳遞函數計算激勵點的載荷。
作為本發明的進一步改進，步驟s5的具體步驟包括：
s5.1.分析確定步驟s4中所述仿真響應輸出的仿真加速度頻譜曲線；
s5.2.引入預先對所述實際響應數據進行分析所確定的實際加速度頻譜曲線；
s5.3.比較所述仿真加速度頻譜曲線與所述實際加速度頻譜曲線在對應頻率點下的加速度峰值之間的峰值誤差，當所述峰值誤差小于預設的第二允許誤差值時，完成振動仿真模型構建；否則修正所述有限元模型的剛度參數，跳轉至步驟s4。
作為本發明的進一步改進，所述剛度參數指變流器柜體本身的有限元模型與安裝結構體的有限元模型的連接剛度參數，包括平動剛度參數和扭轉剛度參數。
與現有技術相比，本發明的優點在于：本發明的變流器柜體振動仿真模型構建方法充分考慮了仿真模態的疊加構成，選擇1000hz以內的全部模態進行，并考慮了仿真模態與試驗模態之間的偏差，并通過誤差分析對有限元模型進行修正，防止誤差在仿真模型中累積，從而保證本發明方法所構建的仿真模型仿真度高，仿真結果準確性好、精度高，可有效提高仿真結果對工程實踐的指導作用。
附圖說明
圖1為本發明具體實施例的流程示意圖。
具體實施方式
以下結合說明書附圖和具體優選的實施例對本發明作進一步描述，但并不因此而限制本發明的保護范圍。
變流器柜振動問題屬于多自由度系統的振動問題，其動力學方程是耦合方程，很難直接求解，借助于模態的振型、質量矩陣和剛度矩陣這3個基本量的正交性，可以將耦合方程轉換為線性方程，因此，模態疊加方法是工程應用中使用非常廣泛的一種計算方法，也是其他動力學分析類型的基礎。從工程計算的角度來看，并不需要計算全部的模態，一方面對于自由度數很大的系統，計算所有模態是不可能的，另一方面，工程實際證明在一定的動載荷作用下并不是所有的模態能被激起，因此，實際計算中往往取系統的有限階模態代替全部的模態，需要取多少階模態合適是一個關鍵。
因仿真中采用的簡化假設與數學處理，仿真計算的振動響應與試驗響應容易存在較大偏差。先計算出激勵點到響應點的傳遞函數，然后利用實測的振動響應和仿真計算的傳遞函數，再利用矩陣求逆的方法反推算振動響應，如果反推算出的振動響應與實測的振動響應有較大誤差，需要修正系統模型的參數，如連接剛度、材料彈性模量等，修正后系統的傳遞函數也發生變化，從而振動響應也發生變化，通過多次修正最終可使仿真計算的振動響應與試驗測試的振動響應小于預定的誤差，從而最大程度確保仿真模型的準確性。
本實施例中，采用如下方法構建變流器柜體振動仿真模型。s1.構建變流器柜體的有限元模型；具體實現過程為：通過hypermesh、ansa等專業前處理軟件創建變流器柜體本身的有限元模型和安裝結構體的有限元模型。在本實施例中，安裝結構體的有限元模型是車體安裝部位的有限元模型，以確保有限元模型盡可能與實際裝車條件(如吊裝方式)相符。需要說明的是，當車體安裝部位的有限元模型無法創建時，可以創建變流器柜體試驗臺架的有限元模型，以模擬在制造車間變流器柜體安裝(吊裝)在試驗臺架上的情況。通過構建包括變流器柜體本身的有限元模型和安裝結構體的有限元模型的有限元模型，可以真實的反映變流器柜體在實際中的安裝狀態。
在本實施例中，由于需要引入變流器柜體的試驗模態，因此需要預先對變流器柜體進行實際試驗，并通過測量以獲得變流器柜體的試驗模態。具體為：建立符合振動試驗要求的變流器柜體振動試驗環境，如通過將變流器柜體用軟繩懸掛起來或者采用彈性支撐，通過錘擊法或激振器激勵法等方法測量變流器柜體的試驗模態，試驗模態包括變流器柜體整體框架的模態和蓋板的模態。實際試驗中的試驗模態數據通過布設在變流器柜體上的傳感器獲取。試驗模態用于驗證有限元模型的準確度、真實度。
在本實施例中，利用nastran、ansys、abaqus等專業有限元軟件計算有限元模型的仿真模態。由于仿真的計算結果大都是基于模態疊加而得到，為了保證有限元仿真模型的仿真模態的疊加結果的準確性，本實施例中，獲取有限元模型的仿真試驗的1000hz以內的所有模態，以保證模態疊加的準確性和精度。
由于有限元模型中涉及的參數眾多，而不同的參數對有限元模型的仿真模態會產生不同的影響，其影響程度也各不相同。比如，某些參數只要進行微小的調整，即大幅度的改變有限元模型的仿真模態，而某些參數進行較大調整，對有限元模型的仿真模態也只產生較小的影響。因此，在本實施例中，通過virtual.lab及具有相同功能的軟件對有限元模型中的參數進行靈敏性分析，通過靈敏性分析確定有限元模型中各參數對仿真模態的影響程度，并根據影響程度對參數進行排序，確定影響程度最大的n的參數為有限元模型的主要參數。n的值可根據有限元模型的具體情況而選定。在本實施例中，可進一步對主要參數進行劃分，在前面所選擇的主要參數中優先選擇變流器柜體有限元模型中關于材料與連接結構的參數作為主要參數。在確定好有限元模型的主要參數后，還可以在其余參數中確定m個次要參數，次要參數的調整對有限元模型的仿真模態的影響程度較小，可以用于對有限元模型的仿真模態進行微調。通過確定有限元模型的主要參數和次要參數，在對有限元模型進行修正時，可以根據要修正量的大小快速的選擇相應的參數進行調整，從而快速實現構建出符合要求的有限元模型的目標。
由于有限元模型是相對于實物進行簡化所構建的仿真模型，因此，有限元模型無法完全真實的表征實物的全部特性，兩者之間往往會有一定的偏差。而這種偏差往往在有限元模型的仿真各環節中不斷積累，從而導致通過有限元模型仿真得到的最后結果可能出現較大誤差，仿真精度不高。因此，本實施例中，需要對所建立的有限元模型進行修正，從而最大限度的保證有限元模型的仿真特性與實物之間具有較高的一致性，從而保證有限元模型具有較高的仿真精度。
在本實施例中，在virtual.lab及具有相同功能的軟件中導入試驗模態的振型和仿真模態的振型，確定有限元模型中與變流器柜體實際試驗中布設傳感器的測點相對應的點，分別提取這些點在試驗模態和仿真模態下的位移，分別進行振型的對比和頻率的對比。理論上，模態有振型、質量矩陣和剛度矩陣這3個正交性的基本性質，可以從模態的頻率和模態振型的正交性上進行計算與試驗模態的相互驗證。由于有限元計算模態和試驗模態都有可能出現偏差，有限元計算模態和試驗模態之間并不完全滿足正交性。因此，在本實施例中，設置一個正交置信度值mac，如式(1)所示。
式(1)中，mac為所述正交置信度值，{a}test為試驗模態振型，{a}fem為仿真模態振型，
在本實施例中，s2.仿真計算所述有限元模型的仿真模態，引入變流器柜體的實際試驗的試驗模態，驗證所述仿真模態與試驗模態之間的一致性是否滿足預設的第一一致性標準，滿足則跳轉至步驟s3，不滿足則修正所述有限元模型的參數，重復步驟s2。在本實施例中，選擇前50階的仿真模態與試驗模態來驗證所述仿真模態與試驗模態之間的一致性是否滿足預設的第一一致性標準。計算所述仿真模態與所述試驗模態之間正交置信度值，計算所述仿真模態的振動頻率與所述試驗模態的振動頻率之間的頻率值誤差，當所述正交置信度值大于所述正交標準值，且所述頻率值誤差小于所述第一允許誤差值時，跳轉至步驟s3，否則，修正所述有限元模型的參數，跳轉至步驟s2.2。當仿真模態與試驗模態的mac值大于0.8且兩者之間的頻率值誤差小于預設的第一允許誤差值時，可以認為有限元模型的精度滿足要求，否則需要對有限元模型進行修正。本實施例中，頻率值誤差為仿真模態的振動頻率與所述試驗模態的振動頻率之差的絕對除以試驗模態的振動頻率所確定的相對誤差，第一允許誤差值的取值范圍為5％至8％。當需要對有限元模型進行修正時，對上述有限元模型參數靈敏性分析中所確定的主要參數和次要參數進行調整修正。通過對主要參數進行修正，可以快速縮小仿真模態與試驗模態之間的誤差，通過對次要參數進行修正，可以進一步在縮小仿真模態與試驗模態之間的誤差，從而提高有限元模型的精度。當然，當只需要通過修正主要參數即可滿足預設的第一允許誤差值時，僅修正主要參數即可。對次要參數的修正只是一個可選步驟，以求達到最優狀態。在本實施例中，在每次對有限元模型的參數進行修正后，需要再次通過修正后的有限元模型仿真計算仿真模態，并再次比較仿真模態與試驗模態的mac值和兩者之間的頻率值誤差，當誤差仍大于預設的第一允許誤差值時，需要再次對有限元模型的參數進行修正，直到mac值大于0.8且頻率值誤差小于預設的第一允許誤差值。因此，對有限元模型的參數進行修正的過程可能需要進行多次。基于多次靈敏性分析與修正計算后，最終確定參數完善后的有限元模型。這些參數可以整理為參數庫，為后續同類產品的仿真分析提供輸入，可以減少同類產品計算模態與試驗模態的重復對比，節省時間與資源。
在本實施例中，步驟s3的具體步驟包括：s3.1.確定所述有限元模型中激勵點到響應點之間的傳遞函數；s3.2.以所述實際試驗的響應數據為所述有限元模型的響應點的輸入參數，通過所述傳遞函數計算激勵點的載荷。在得到參數修正完善后的有限元模型后，通過virtual.lab軟件計算有限元模型載荷輸入點和響應點之間的傳遞函數，傳遞函數用于載荷識別，同時還可以用于傳遞路徑分析與優化改進。有限元模型載荷輸入點和響應點的位置與對變流器柜體進行實際實驗的載荷輸入點和響應點相對應。當然，還可以根據需要確定有限元模型中任意兩點之間的傳遞函數。通過傳遞函數，可以模擬實際試驗中載荷輸入點的激勵與響應點的振動響應之間的傳遞關系。
在本實施例中，步驟s5的具體步驟包括：s5.1.分析確定步驟s4中所述仿真響應輸出的仿真加速度頻譜曲線；s5.2.引入預先對所述實際響應數據進行分析所確定的實際加速度頻譜曲線；s5.3.比較所述仿真加速度頻譜曲線與所述實際加速度頻譜曲線在對應頻率點下的加速度峰值之間的峰值誤差，當所述峰值誤差小于預設的第二允許誤差值時，完成振動仿真模型構建；否則修正所述有限元模型的剛度參數，跳轉至步驟s4。通過以實際試驗中得到的響應點的響應數據作為有限元模型的輸入，由于傳遞函數確定了載荷輸入點(激勵點)至響應點之間的傳遞關系，在virtual.lab軟件中，以矩陣求逆的方法即可反推算出載荷輸入點的載荷。
在本實施例中，將通過virtual.lab軟件計算得到的有限元模型中載荷輸入點的載荷作為輸入參數，再次通過virtual.lab軟件計算響應點的振動響應。由于整體系統的復雜性，以及多個載荷輸入點和多個響應點之間的耦合關系的原因，此處計算得到的振動響應與上述作為有限元模型的輸入的實際試驗的響應數據并不會一致，因此，需要再次對有限元模型進行評估。在本實施例中，通過virtual.lab軟件對比實際試驗中得到的響應點的響應數據和通過virtual.lab軟件計算得到的響應點的振動響應數據。當仿真加速度頻譜曲線與所述實際加速度頻譜曲線在對應頻率點下的加速度峰值之間的峰值誤差小于第二允許誤差值時，認為有限元模型滿足精度要求，否則需要進一步的修正優化。在本實施例中，峰值誤差指仿真加速度頻譜曲線的加速度峰值與實際加速度頻譜曲線的加速度峰值之差的絕對值除以實際加速度頻譜曲線的加速度峰值所確定的相對誤差。第二允許誤差值的取值范圍為5％至8％。
在本實施例中，對有限元模型進一步修正優化時，選擇修正有限元模型中變流器柜體本身的有限元模型和安裝結構體的有限元模型之間的連接剛度參數，剛度參數包括平動剛度參數和扭轉剛度參數。設本實施例中變流器柜體本身的有限元模型通過吊耳與安裝結構體的有限元模型之間連接，每個吊耳與安裝結構體有直角坐標系x、y和z3個方向的平動剛度(kx、ky和kz)，以及直角坐標系x、y和z3個方向的扭轉剛度(krx、kry和krz)。每次對剛度參數進行修正后，再次通過virtual.lab軟件，以前面通過仿真計算得到的載荷輸入點的載荷作為輸入參數，再次仿真計算響應點的振動響應，并再次進行評估，直到仿真得到的振動響應與實際試驗得到的響應數據之間的誤差滿足上述的評估要求，得到最終確定的有限元模型。在本實施例中，通過在virtual.lab軟件中選擇序列二次規劃修正策略，經過多次迭代后，即可完成優化。
在本實施例中，在得到最終確定的有限元模型后，即可通過仿真對變流器柜體進行仿真設計。通過virtual.lab軟件，選擇變流器柜體需要仿真優化的目標，如在惡劣工況下變流器柜體響應點的最大振幅，保持有限元模型中變流器柜體質量不變的情況下，調整有限元仿真模型中包括結構件阻尼、剛度在內的系統參數來降低振動，從而實現變流器柜體在滿足輕量化條件下的降噪設計。
上述只是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何形式上的限制。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應落在本發明技術方案保護的范圍內。
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