高速列車車體隨機(jī)振動(dòng)仿真預(yù)測(cè)與試驗(yàn)驗(yàn)證

林松，孫明道，朱建華

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心，山東 青島 266111）

隨著高速列車速度的不斷提升，振動(dòng)噪聲問(wèn)題日益嚴(yán)峻。列車不僅需要具備足夠的靜剛度來(lái)維持承載能力，還更應(yīng)具有合理的動(dòng)態(tài)特性以抑制車體的振動(dòng)噪聲。由于列車運(yùn)行過(guò)程中車體結(jié)構(gòu)所受激勵(lì)具有明顯的隨機(jī)性，產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲也具有明顯的隨機(jī)性。因此，研究高速列車車體的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)特性，對(duì)于控制列車振動(dòng)噪聲具有重要的意義。

在結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)噪聲問(wèn)題的研究中,劉寶山等基于有限元法、邊界元法和虛擬激勵(lì)法，研究了結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)聲輻射靈敏度及優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，該方法計(jì)算精度與傳統(tǒng)方法等價(jià)，且計(jì)算效率高；Zhao等在虛擬激勵(lì)法基礎(chǔ)上采用新的算法計(jì)算了結(jié)構(gòu)隨機(jī)激勵(lì)下的振動(dòng)問(wèn)題，其在計(jì)算效率上與虛擬激勵(lì)法相比具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)；Mehran等利用ABAQUS軟件對(duì)軌道車輛車廂進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)仿真分析。

綜上，目前已對(duì)列車在確定激勵(lì)下的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題開展了一系列的研究，但多數(shù)局限于有限元仿真研究，對(duì)實(shí)車隨機(jī)振動(dòng)的試驗(yàn)驗(yàn)證研究較少。本文以實(shí)車結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)模型簡(jiǎn)化和車體網(wǎng)格細(xì)化分析，建立有限元模型與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果不斷修正對(duì)比，形成了適合高速列車實(shí)際應(yīng)用的有效模型和研究方法。

1 車體有限元建模及試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 車體有限元建模

模型簡(jiǎn)化。選取高速列車端部實(shí)車結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，試驗(yàn)車體長(zhǎng)度為7m，車體兩端均帶外端，車體重量約為3.2噸，所用材料為鋁合金，材料參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)車體材料參數(shù)

對(duì)軌道車輛而言，車體結(jié)構(gòu)整體以薄板結(jié)構(gòu)為主?？紤]到車體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及車體型材特點(diǎn)，在盡量保持結(jié)構(gòu)不變的條件下，為提高有限元建模效率和縮短仿真計(jì)算時(shí)間，將車體簡(jiǎn)化為殼單元進(jìn)行建模，同時(shí)刪除過(guò)渡圓角等對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響較小的工藝結(jié)構(gòu)，其中，車體蒙皮取外表面，筋板取中性面，簡(jiǎn)化前后的三維幾何模型如圖1所示。

圖1 車頂及側(cè)墻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

1.2 車體網(wǎng)格細(xì)化分析

車體幾何尺寸和材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 幾何尺寸和材料參數(shù)

當(dāng)計(jì)算頻率為500Hz，板厚度為1.8～12mm時(shí)，根據(jù)表2各參數(shù)，可得單元邊長(zhǎng)的大致范圍為Δ≤0.0472～0.1218m，即47.2～121.8mm之間。整體選取幾組不同網(wǎng)格單元長(zhǎng)度分別計(jì)算，即選取不同的單元尺寸對(duì)車體進(jìn)行全局網(wǎng)格劃分，然后計(jì)算車體隨機(jī)響應(yīng)，并得到振動(dòng)加速度響應(yīng)的均方根值，如表3所示。

表3 振動(dòng)加速度響應(yīng)與有限元網(wǎng)格劃分細(xì)化程度對(duì)比關(guān)系

從表3可以看出，網(wǎng)格越密，加速度響應(yīng)數(shù)值越趨于穩(wěn)定。由于車體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，模態(tài)較為密集，不易找到模態(tài)突變數(shù)。當(dāng)網(wǎng)格單元長(zhǎng)度為60mm時(shí)，模態(tài)數(shù)和加速度均方根值均趨于穩(wěn)定，因此，在后續(xù)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析時(shí)，采用全局網(wǎng)格單元長(zhǎng)度為60mm車體有限元模型。如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)車體有限元模型

1.3 車體計(jì)算模態(tài)及試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

由于仿真計(jì)算建模過(guò)程中進(jìn)行了若干簡(jiǎn)化，需通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)校驗(yàn)仿真模型的準(zhǔn)確性。模態(tài)試驗(yàn)中，試驗(yàn)車體采用彈性支撐，測(cè)試在近似自由狀態(tài)下的模態(tài)參數(shù)；然后，通過(guò)電磁激振器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，并由動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集信號(hào)；最后，進(jìn)行車體模態(tài)分析。試驗(yàn)車體模態(tài)測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4。

圖3 試驗(yàn)車體彈性支撐

表4 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表4中可以看出，模態(tài)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果最大誤差為5.7%，振型基本一致，仿真計(jì)算的準(zhǔn)確度較高，可替代實(shí)車結(jié)構(gòu)用于隨機(jī)振動(dòng)分析。

2 車體隨機(jī)振動(dòng)預(yù)測(cè)與分析

為保證車體隨機(jī)振動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)模型能夠較為準(zhǔn)確地替代實(shí)車結(jié)構(gòu)，采用東菱ES-10-240電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)采集車體隨機(jī)振動(dòng)和噪聲信號(hào)，進(jìn)行振動(dòng)和噪聲試驗(yàn)。在進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)前，先進(jìn)行關(guān)心頻段內(nèi)的預(yù)試驗(yàn)，了解系統(tǒng)的振動(dòng)特性。根據(jù)車體振動(dòng)試驗(yàn)的激勵(lì)位置，在仿真模型的轉(zhuǎn)向架位置施加隨機(jī)基礎(chǔ)激勵(lì)（頻率范圍20～200Hz，步長(zhǎng)1Hz），隨機(jī)振動(dòng)控制曲線均在3dB控制容差限以內(nèi)。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖4。

如圖4，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果主要峰值頻率基本一致，但在幅值以及次要峰值頻率上存在一定的區(qū)別，與試驗(yàn)測(cè)試誤差、仿真模型簡(jiǎn)化以及模態(tài)阻尼參數(shù)的設(shè)置等存在較大的關(guān)系。

圖4 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比-加速度功率譜密度曲線

3 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)和仿真對(duì)比，表明試驗(yàn)車體有限元模型具有較高的精度；（2）對(duì)試驗(yàn)車體進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)預(yù)測(cè)與試驗(yàn)分析，可知車體振動(dòng)能量主要集中在60～110Hz的頻率范圍內(nèi)，合理控制該頻段內(nèi)的振動(dòng)能量，在一定程度上能起到減振降噪的目的；（3）選取點(diǎn)的振動(dòng)加速度功率譜密度幅值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果主峰值頻率基本一致，但在幅值以及次要峰值頻率上存在一定的區(qū)別，主要與試驗(yàn)測(cè)試誤差、仿真模型簡(jiǎn)化以及模態(tài)阻尼參數(shù)的設(shè)置等有關(guān)；（4）對(duì)車體隨機(jī)振動(dòng)噪聲問(wèn)題的研究，能夠在設(shè)計(jì)早期對(duì)車輛的振動(dòng)噪聲特性進(jìn)行評(píng)估，減少減振降噪對(duì)策滯后的問(wèn)題。