B型地鐵鋁合金車體工作模態(tài)分析

平學成，王先亮，朱韶光，李宏偉，高 攀，唐玉杰，劉保臣

(1 華東交通大學機電工程學院 載運工具與裝備教育部重點實驗室，江西南昌330013; 2 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081; 3 長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062)

B型地鐵鋁合金車體工作模態(tài)分析

平學成1，王先亮1，朱韶光2，李宏偉3，高 攀2，唐玉杰1，劉保臣2

(1 華東交通大學機電工程學院 載運工具與裝備教育部重點實驗室，江西南昌330013; 2 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081; 3 長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062)

針對B型地鐵鋁合金車體建立了有限元三維模型，采用ABAQUS軟件對車體進行模態(tài)仿真計算，判斷測點位置，并應用B＆K模態(tài)測試系統(tǒng)對地鐵車體進行了工作模態(tài)試驗。提取車體的前三階模態(tài)參數(shù)進行對比分析，結果驗證了工作模態(tài)和仿真模態(tài)的一致性。說明針對車體進行工作模態(tài)測試的可行性。

車體;仿真計算;工作模態(tài);可行性

車體是車輛的重要組成部分，對車輛的動力學性能有重要的影響。當車體結構設計不合理或材料選用不當，就會產生彎曲、扭轉共振等問題，不僅使乘坐舒適度和穩(wěn)定性受到影響，而且長時間循環(huán)往復會使車體結構產生嚴重的彎曲、扭轉變形，造成局部結構疲勞破壞［1］。因此，有必要對車體進行模態(tài)分析，得到車體的模態(tài)參數(shù)，為改善車輛總體動力學性能提供參考。

為得到準確的模態(tài)參數(shù)一般采用試驗模態(tài)分析，試驗模態(tài)又分為試驗室模態(tài)和工作模態(tài)。試驗室模態(tài)雖然能得到較全面的模態(tài)振型，但由于車體結構復雜且尺寸較大，對車體進行試驗室模態(tài)測試成本高、難度大，且采用白車皮進行試驗室模態(tài)測試時與列車運行時的約束條件存在較大差異。因此本文考慮采用工作模態(tài)對車體進行模態(tài)測試，同時采用計算模態(tài)對其進行驗證和測點的預評估。

1 車體模態(tài)仿真計算

1.1 車體模態(tài)仿真計算理論

車體模態(tài)分析是將車體線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的車體物理坐標變換為車體模態(tài)坐標，使方程解耦，成為一組以車體模態(tài)坐標及車體模態(tài)參數(shù)描述的獨立方程，以便求出車體的模態(tài)參數(shù)［2］。車體模態(tài)分析目標主要是算出車體的模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼和振型。

1.2 車體模態(tài)計算動力學方程

車體模態(tài)計算是為了確定車體結構的振動特性，在車體的設計和使用過程中，可用于車體結構動態(tài)特性的預估和優(yōu)化設計，診斷及預報結構系統(tǒng)的故障，控制結構的輻射噪聲，識別系統(tǒng)的載荷等。

車體模態(tài)分析所用的動力學方程［3-4］:

其中M表示車體質量矩陣;X表示車體位移矩陣;X表示車體速度矩陣;X表示車體加速度矩陣;C表示車體阻尼矩陣;K表示車體剛度矩陣;F表示外力。

本有限元仿真計算假設車體為自由約束，所以力F =0。得到系統(tǒng)的自由振動方程為:

其對應的特征方程為:

式中珔w為車輛系統(tǒng)的固有頻率。

1.3 車體模態(tài)計算模型的建立

B型地鐵車體采用大型中空鋁合金擠壓型材制造，橫梁部分為鋼構件，橫梁通過螺栓與車體底架側梁部分連接，車下懸掛設備也通過螺栓與橫梁連接，有限元模型中將結構件之間連接強度較大處采用剛性連接代替焊接及鉚接［4-5］，采用車體實體整體建模，建立的車體結構三維有限元模型如圖1所示。

圖1 車體三維有限元模型

1.4 車體模態(tài)仿真結果

利用通用有限元軟件ABAQUS對地鐵車體有限元模型進行模態(tài)仿真，得到車體前三階振型如圖2～圖4所示。

圖2 一階垂彎振型

圖3 垂向扭轉振型

圖4 二階垂彎振型

通過仿真計算可知，一階垂彎振型在車體中央和兩端幅值較大，垂向扭轉振型在車體兩端振動幅值較大，二階垂彎在車體兩端和1/4處振幅較大。綜上可知，如果得到上述3種模態(tài)至少應在車體中央、兩端和1/4處布置截面，即至少需布置5個截面。

2 車體工作模態(tài)試驗

模態(tài)試驗中車體n階振型是激振頻率與車體第n階固有頻率相同時出現(xiàn)的車體振動形態(tài)。隨著激振頻率的增加，車體會出現(xiàn)對應的n階振型。激振頻率不改變車體的固有頻率，只改變車體的振型。地鐵車輛在線路上運行時，通過試驗得到的模態(tài)為車體工作模態(tài)。由于軌道的隨機不平順，車體的振源是復雜的，但是車體最終振動的形態(tài)是來自各個振源激振結果的線性疊加。在研究每一個方向上的受迫振動形態(tài)時，單獨提取出來即可［6-8］。

2.1 試驗系統(tǒng)組成

根據(jù)受力分析和仿真計算，車體工作模態(tài)試驗采用地鐵的第2節(jié)車作為試驗列車。車體線路模態(tài)試驗對象和工具包括地鐵B型車第二節(jié)高速車體，加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機采集系統(tǒng)，處理軟件采用B＆K公司提供的工作模態(tài)分析軟件，試驗線路為環(huán)行鐵路試驗場，車體模態(tài)測試系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 車體模態(tài)試驗測試系統(tǒng)

2.2 測點的布置

測點應布置在能顯示試驗頻段內模態(tài)特征及區(qū)別的區(qū)域，響應點的數(shù)目取決于所選頻率范圍、期望的模態(tài)振型、結構上所關心的部位。對于本文所研究車體，通過仿真分析，如果得到與仿真相同的模態(tài)振型至少應布置5個截面。為得到較好的振型，進行工作模態(tài)測試時共布置7個截面，14個傳感器，所有測點布置在車體底架側梁上。傳感器具體布置位置和方式如圖6和圖7所示。

圖6 實際測點布置圖

圖7 測點布置在橫梁上

2.3 車體模態(tài)試驗結果

在試驗線路上采用BK測試系統(tǒng)對上述車體進行工作模態(tài)測試，車體前三階工作模態(tài)振型如圖8～圖10所示。

圖8 一階垂彎工作模態(tài)

圖9 垂向扭轉工作模態(tài)

圖10 二階垂彎工作模態(tài)

3 車體模態(tài)仿真與試驗模態(tài)結果對比分析

分別提取模態(tài)仿真中的三個模態(tài)振型和工作模態(tài)試驗結果進行對比，結果如表1所示。誤差率反應模態(tài)頻率仿真值與試驗值誤差的大小。計算公式為:

根據(jù)表1結果可知，一階垂向彎曲仿真頻率為11.895 Hz，一階垂向彎曲實測頻率為11.550 Hz，相關標準要求車體一階垂向彎曲頻率不小于10 Hz［8］，仿真結果和試驗結果均表明該地鐵車輛車體一階垂向彎曲模態(tài)滿足標準要求。

4 結 論

(1)采用仿真計算預判測點布置位置，并驗證了仿真計算和工作模態(tài)測試得到的模態(tài)參數(shù)具有一致性，說明了針對車體進行工作模態(tài)的可行性;

表1 前三階模態(tài)仿真結果與試驗結果對比

(2)根據(jù)各階振型，車體中部垂向和扭轉振動較多，變形較頻繁，設計時應有所考慮;

(3)為得到更多的模態(tài)振型，還需在車體適當?shù)奈恢冒惭b橫向測點，并增加測點個數(shù);

(4)為改善車體乘坐舒適度，還需要對車體的懸掛設備進行模態(tài)分析，使車體避開與各設備共振的頻率［6-7］。

［1］ 陸 娟.鋁合金地鐵車體靜、動力學及疲勞分析［D］.南京，南京工業(yè)大學，2006.

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［4］ 魯寨軍.機車車體模態(tài)分析中用質量單元模擬設備重量的方法探討［J］.電力機車與城軌車輛，2003，26(1):25-27.

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［6］ 陳 曉，于瓊蔚.機車車體鋼結構動態(tài)性能的模態(tài)試驗方法及應用［C］.LMS首屆用戶大會論文集，2006.

［7］ 邱飛力.張立民，王學亮.應用Test.Lab進行高速車體線路模態(tài)試驗［J］.噪聲與振動控制，2012，32(2):67-70.

［8］ 國家標準化管理委員會.GB/T 7928-2003地鐵車輛通用技術條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2003.

Operational Modal Analysis of Aluminum Alloy Body for B-type Metro Vehicle

PING Xuecheng1，WANG Xianliang1，ZHU Shaoguang2，LI Hongwei3，GAO Pan2，TANG Yujie1，LIU Baochen2
(1 Vehicles and Equipment Key Laboratory of Educational Ministry，Electromechanical Engineering Institute，East China Jiaotong University，Nanchang 330013 Jiangxi，China; 2 Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 3 CNR Changchun Railway Vechicles Co.，Ltd.，Changchun 130062 Jilin，China)

The 3D model of aluminum alloy body for B-type metro vehicle is established，the ABAQUS software is used to simulate the modal parameters of vehicle body and get the position of test points，and the B＆K system is used to test the operational modal of metro vehicle body.The first three modals of vehicle body are extracted，the simulation results and the operational modal results are compared，and they agree well with each other.According to the analysis，we prove that using the OMA(operational modal analysis)method to test the modal of vehicle body is feasible.

vehicle body;FEA;operational modal;feasibility

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.26

1008－7842(2015)01－0115－03

5—)男，教授(

2014－07－10)