车体配重对车体1阶垂弯频率的影响分析
2015-06-01张远亮张立民张艳斌孙现亮
张远亮，张立民，张艳斌，孙现亮
(1 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川成都610031; 2 南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111)
车体配重对车体1阶垂弯频率的影响分析
张远亮1，张立民1，张艳斌1，孙现亮2
(1 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川成都610031; 2 南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111)
为研究车体配重对车体1阶垂弯频率的影响，建立了车体有限元模型，考虑了地板配重、地板枕梁内外配重比及乘员刚性和弹性连接等情况。同时对车体在空载、配重大米和定员情况下进行了模态试验。结果表明:在定员人数相同情况下，乘员弹性连接车体1阶频率比刚性连接高;在配重大米(定员78人)与定员78人相比，定员78人状态车体1阶垂弯频率比配重大米(定员78人)频率高。
配重;1阶垂弯频率;有限元模型;模态试验
车体的模态表现出车体固有的振动特性，而整备车的1阶垂弯频率是考核高速列车刚度的重要指标［1，2］。德国ICE技术任务书中规定:整备状态下的车体弯曲自振频率与转向架点头频率或浮沉自振频率之比应大于1.4［3］;国际铁路联盟UIC要求车体的一阶垂向弯曲自振频率不低于10 Hz［4］。
本文对车体进行有限元仿真时，将车体视为有限个自由度的离散体［5-6］，考虑了地板配重、地板枕梁内外配重比及乘员刚性和弹性连接等情况。同时对车体在空载、配重大米和定员情况下进行了模态试验。试验结果对车体结构设计及频率匹配具有一定的意义。
1 模态分析理论
模态分析的实质，是一种坐标变换。其目的在于把原来在物理坐标系统中描述的响应向量，放到所谓"模态坐标系统"中来描述，这一坐标系统的每一个基向量恰是振动系统的一个特征向量［7］。
一般来讲，实际结构是一个连续的弹性线性结构，作离散化处理后是一个多自由度系统，它在物理坐标系统中的运动微分方程实际上为结构动力学模态分析中的特征值问题。一个n自由度振动系统的运动微分方程为［7］:
假定振动系统为自由振动并忽略阻尼:
这是一个二阶常系数线性奇次微分方程组，其解的形式为:
代入上式得:
此为一个广义特征值问题。对于n自由度系统，求解该方程便可确定ωn和n即特征解:
其中ω1，ω2，…，ωn代表系统的n个固有频率(模态频率)，特征向量1，2，…，n代表系统对应的n个固有振型。
2 有限元仿真分析
车体总重为8.536 t，车体主要由底架、侧墙、车顶、端墙以及车体附件等组成。车体为自由状态，计算结果为自由模态。本文研究的车体模型主要采用4节点壳单元SHELL63和质量点单元MASS21进行离散。
2.1 地板均匀配重
通过改变地板密度，将质量均匀的添加到地板上。仿真结果见表1。
表1 地板均匀配重与1阶垂弯频率
地板均匀配重与1阶垂弯频率关系见图1。
从图1可以看出，随着地板配重的不断增加，车体1阶垂弯频率不断降低;刚开始降低速度较快，随后降低速度较慢。
2.2 枕梁内外配重
将地板分为枕梁内与枕梁外两部分，配重总质量一定，改变枕梁内外配重比。
配重比定义为配重比=枕外配置的质量/枕内配置的质量。仿真结果见表2。
表2 地板枕梁内外配重比与1阶垂弯频率 Hz
地板枕梁内外配重比与1阶垂弯频率关系见图2。
图2 地板枕梁内外配重比与1阶垂弯频率关系
从图2可以看出，随着地板配置质量的增加，车体1阶垂弯频率不断降低;随着配重比的增加，即枕梁外地板质量相对枕梁内地板质量增加，车体1阶垂弯频率不断降低。
2.3 乘员配重
按定员数配重，将乘员简化为质量块单元，并按刚性与弹性连接方式仿真分析(表3)。
表3 乘员配重与车体1阶垂弯频率
乘员配重与车体1阶垂弯频率关系见图3。
图3 乘员配重与车体1阶垂弯频率
从图3可以看出:
(1)在乘员刚性连接的情况下，随着定员人数的增加，车体1阶垂弯频率不断降低。
(2)在乘员弹性连接的情况下，随着定员人数的增加，车体1阶垂弯频率略有增加。
(3)在定员人数相同情况下，乘员弹性连接车体1阶频率比刚性连接高。
3 车体配重试验分析
对某动车组中间车进行静态台架模态试验，测试车体模态参数，即模态固有频率、模态振型等。车体为整备状态，坐落于空气弹簧支撑的转向架上方，车体两端车钩未连挂其他车体。车体与4个激振器相连，利用正弦步进扫频激励，激励频率为0～50 Hz。
车体配重工况见表4。
表4 车体配重情况
配重大米相当于有限元仿真中刚性连接，定员相当于弹性连接。利用Test.Lab软件识别车体模态参数，识别结果见表5。
表5 车体模态参数
图4 不同状态下车体1阶垂弯频率
从图4可以看出:
(1)随着车体配重从空载、配重大米(定员78人)配重大米(到定员197)，车体1阶垂弯频率不断降低。
(2)在配重大米(定员78人)与定员78人相比，定员78人状态车体1阶垂弯频率比配重大米(定员78人)频率高。这与乘员配重弹性与刚性仿真分析结果相符。
(3)定员与配重大米相比，与现实运营情况更加接近，更具有真实性的结果。
4 结论
通过上述分析可得到如下结论:
(1)无论是仿真计算还是试验分析，随着配重的增加，车体1阶垂弯频率不断降低。
(2)在定员人数相同情况下，乘员弹性连接车体1阶频率比刚性连接高;在配重大米(定员78人)与定员78人相比，定员78人状态车体1阶垂弯频率比配重大米(定员78人)频率高。
(3)定员与配重大米相比，与现实运营情况更加接近，更具有真实性的结果。
［1］ 200 km/h及以上速度级铁道车辆强度及试验暂行规定［Z］.北京:中国铁道科学研究院，2001.
［2］ European Committee For Standardization.EN 12663:Structural requirements of railway vehicle bodies［S］.London: British Standards Instituin，2000.
［3］ 严隽耄，傅茂海.车辆工程［M］.北京:中国铁道出版社，2008.
［4］ UIC 518，2003 Testing and Approval of Railway Vehicles from the Point of View of their Dynamic Behavior-Safety-Track Fatigue-Ride Quality(2ed edn)(Pairs:UIC［S］.
［5］ 郝鲁波，胡青泥，李 刚.整备状态下客车模态的有限元探讨［J］.铁道车辆，2004，42(11):4-7.
［6］ 王 丹，李 强.高速客车车体钢结构弹性模态分析研究［J］.北方交通大学学报，2001，25(4):94-96.
［7］ Ward Heylen，Stefan Iammens，Paul Sas.白化同，郭继中译.模态分析理论与试验［M］.北京:北京理工大学出版社，2001.
Analysis the Influence of Carbody Counterweight With Vertical Bending Frequency of the First Order
ZHANG Yuanliang1，ZHANG Limin1，ZHANG Yanbin1，SUN Xianliang2
(1 The State Key Laboratory of Traction Power，Southwest JiaoTong University，Chengdu 610031，Sichuan，China; 2 CSR Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，Qingdao 266111 Shandong，China)
To study the carbody counterweight influence on carbody vertical bending frequency of the first order，finite element model have been established.the floor counterweight，floor inside and outside bolster counterweight ratio and occupant with rigid and elastic connections have been considered.while modal test have been done with unload，counterweight rice and capacity.The results show that:in the same capacity，elastic connection with vertical bending frequency of the first order is higher than rigid;Capacity 78 people with vertical bending frequency of the first order is higher than Capacity 78 people(counterweight rice instead).
counterweight;vertical bending frequency of the first order;finite element model;modal test
U271
A
10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.10
1008－7842(2015)01－0051－03
8—)男，硕士研究生(
2014－07－14)
