跨座式单轨车辆车体结构谐响应分析

彭飞

摘 要：以跨座式单轨车辆为研究对象，针对跨座式单轨车辆车体由于轨道不平顺激励引起的车体壁板振动问题，建立了跨座式车辆车体结构有限元模型，进行了动力学仿真，求出转向架上空气弹簧传递给车体的不平顺简谐激励载荷。并将该不平顺简谐激励施加于车体的有限元模型，继而通过谐响应方法对其进行分析，得到车体壁板件单元的振动响应情况以及有限元单元的各个节点的位移。该结果可作为边界条件约束声学边界元模型分析车内壁板板块贡献度及车内低频结构噪声的情况等。

关键词：跨座式单轨；随机不平顺；谐响应分析

跨座式单轨运行过程中，受到来自轨道的不平顺激励作用。在该激励作用下，车体壁板会受到来自转向架的动载荷作用产生振动，从而造成车内低频结构噪声，影响车辆的运行品质及乘客乘坐的舒适性。文章研究对象为跨座式单轨车辆，通过构建整个单轨车系统仿真模型与仿真分析进行对车辆不平顺简谐激励载荷求解计算，将轨道随机不平顺作为外部激励输入，求解转向架传递给车体的激励载荷。再建立车体有限元模型，将之前所求的不平顺简谐激励施加于有限元模型，用谐响应分析方法求出该激励下车体壁板件单元的振动响应情况以及有限元单元的各个节点的位移，便可为接下来车内低频噪声和不同位置板块贡献度的计算与预测提供依据。

1 跨座式单轨车辆动力学模型的建立

首先利用多体系统动力学软件Simpack建立车轨耦合动力学仿真模型，建模过程中，简化部分复杂结构，构建结构之间力元及mark点，进行整个车辆系统多体动力学仿真。对于跨座式车辆系统，车体通过前后两组转向架的四个空气弹簧支撑在转向架上，同时转向架上的横向减震器、牵引橡胶堆等组成的中央悬挂装置与车厢连接，在这些弹性阻尼原件的作用下帮助车体减小、缓和运行中的振动。

建立出的单轨车动力学模型及行驶轨道模型如图1所示。

2 单轨车辆车体所受激励载荷求解

利用Simpack软件进行动力学分析，车辆运行的路面条件为德国高干扰谱激扰线路面，运行速度为直线道路上的极限速度72km/h。可得到车体与空气弹簧连接位置（即四个前后两组转向架四个支撑点位置）在纵向、横向、垂向三个方向所受到的来自轨道不平顺激励下的动载荷。并将仿真得到的载荷时域谱快速傅立叶变换，描绘出四个支撑点处载荷频域谱。图2为某一支撑点的载荷频域谱。其余三个支撑点载荷幅值的波形特征大小基本一致。

由图2看出，不论在哪个方向上，载荷幅值最大处均在0～5Hz的低频区域内。且垂直方向上受到的激励载荷最大，这与实际情况一致，载荷幅值的峰值也可以得到验证。而纵向的载荷幅值小于横向是因为行驶过程中受到的惯性力矩作用。除此之外，支撑点在三个方向上的载荷相位并不相同，而载荷相位是决定车辆的振动规律的重要参数之一。

3 车体谐响应分析

在ANSYS软件中，将动力学仿真计算出的载荷谱幅值和相位导入车体结构有限元模型中，施加位置同样为前后两组转向架四个空气弹簧对应支撑车体位置，进行车体结构谐响应分析，即可计算出在轨道随机不平顺激励下车体结构的振動响应特性。

在频率0-200Hz范围内，取步长10Hz，下面仅挑选几个特殊的频率下的车体变形特征，并将节点位移明显部分反应出来，列于图3所示图形。

可看出当频率为50Hz时、两边底部中墙与端墙位置节点位移较大，有向外的扭转拉伸形变，90Hz时整个车厢体的车顶与侧墙节点位移较大，整车扭转变形，160Hz时车顶部节点位移最大，明显向下凹陷变形。

得到车体稳态响应的结果，可用于查看车身结构变形以及计算表面振速。通过振动幅值响应分布，可以得到以下结论：受到简谐激载下，低频时车体底部的端墙与侧墙连接部分的振动响应变形比较大，其余部变形较小并不明显。因此在今后对跨座式车辆车厢优化过程中应该优先考虑车体底部的端墙与侧墙连接处受载部位的刚度值。

4 结束语

跨座式单轨车辆运行过程中，影响车体结构振动的因素很多，轮轨之间相互作用的激励通过转向架传递到车体底部。因此在Simpack软件中建立车轨耦合动力学模型进行动力学计算，获得支撑点处受到的轨道随机不平顺激励载荷幅值和相位。接着在ANSYS软件中的车体有限元模型上施加不平顺简谐激励载荷，进行谐响应振动分析，得到了车体壁板件振动响应特性。

处理分析过程动力学软件与有限元软件联合使用，有效地降低了实验数据采集过程，得到的结果明确清晰，车体板块以不同颜色标注显示，便于观察车体的振动特性，为车体设计提供参考依据，同时也为车内声场及板块贡献度等提供计算依据。

参考文献

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