局部應變法敞車側板模態測試及結構改進

劉鳳芹，李向偉

(中國北車集團 齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)*

局部應變法敞車側板模態測試及結構改進

劉鳳芹，李向偉

(中國北車集團 齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)*

通過某車體側板結構的模態試驗，基于局部應變法測定了側板的固有頻率和振型，通過兩種試驗結果的相互驗證，表明在23.389 Hz頻率下，車體側板的兩端，出現了局部二階振型，局部應變明顯增加，在接近該頻率的激擾下，存在共振帶.通過改進側板結構剛度，對改進后的新結構按相同的試驗方法進行了測試和分析，局部應變明顯減小，共振現象消失，證明新設計的側板結構更合理有效.

敞車側板;模態測試;應變測試;結構改進

0 引言

鐵路貨車車體強度的驗證試驗主要以靜強度試驗、沖擊試驗和動力學試驗為主，隨著機械化作業程度的提高，還出現了許多新的運用工況，對這些特殊工況的驗證試驗也是非常必要的.某底開門敞車主要用于運輸散粒貨物，該車卸貨輔助以1 440 r/min偏心輪電機，工作頻率為24 Hz的垂向振動完成，為了驗證該車的側墻結構性能是否滿足該電機垂向振動工況的使用要求，針對該運用工況對車體側墻板進行了振動試驗測試，通過對試驗數據的分析確定車體側墻結構的模態參數，并采用局部應變測試結果與模態測試結果互相驗證，并提出了新的設計方案，同時，對新的設計方案進行對比試驗分析，驗證了新結構的合現性及有效性.

1 敞車側檣板動態特性分析

系統的動態特性是指系統隨頻率、剛度、阻尼變化的特性，是系統在輸入(激勵)作用下所表現出來的性能.敞車側檣板動態特性分析是一個n自由度的無阻尼線性系統的響應問題，通過模態變換，可以轉換為n個獨立諧振振子的模態響應問題，在求得各個模態響應后，再通過線性變換，可得到原系統的響應.模態測試的最終目的是識別出系統的模態參數，即結構的特征值和特征向量，從而認識結構的基本動態特性，為結構系統的振動特性分析及結構動態特性的優化設計提供了依據［1］.

2 敞車側檣板動態特性試驗研究

模態分析是結構動力學特性分析的一種重要方法，敞車側檣動態特性試驗采用模態測試結合關鍵受力部位應變測試的方式進行，兩種試驗的測試結果可以相互驗證、相互補充，為結構改進和產品鑒定提供更加可靠的試驗依據.

2.1 試驗過程

(1)測試系統組成

試驗設備包括:LMS數據采集裝置及LMS模態分析系統、MDR動態數據采集系統及DDP分析處理系統、SINOCERA電磁激振器(1 000 N)、INOCERA功率放大器、KISTLER加速度傳感器(60套)、KISTLER力傳感器(2套)、電阻應變計等，系統組成見圖1.

(2)激勵方式

由于車體自由狀態的頻率并不是我們所關心的，為此被試車采用的是車體工作時的支撐狀態.模擬振車器實際工作狀態加載，將激振器反向懸吊在空中，在車體上側梁上焊接激振座，激振座與激振器的激振桿通過螺栓連接，振動工作時激勵源方向為豎直向下，對端部上側梁進行激勵，采用電磁式激振器隨機激勵方式.激振器安裝方式見圖2.

圖1 測試系統組成結構圖

圖2 激振器安裝方式圖

(3)測試參數設置

模態測試幾何模型與試驗對象的尺寸比為1∶1，由于本次試驗的所關心頻帶相對較窄，帶寬設置為 100 Hz，分辨率為 0.2 Hz.

應變測試采樣頻率500 Hz，低通濾波節止頻率100 Hz.

2.2 試驗內容

(1)模態測試

本次試驗的測試對象為敞車側墻組成，形狀相對規則，僅使用笛卡爾坐標系即可完成，測點的選擇則需要根據經驗和分析估計被測結構各階模態節點和節線可能存在的位置，建立節點模型.根據側墻板、側柱和上側梁的結構特點，將其劃分為14個部分，根據車體幾何尺寸參數，建立了如圖3所示的節點模型.

圖3 節點模型示意圖

為減小激振器可能產生空中擺動導致的誤差，試驗時激勵和響應信號都加漢寧窗，以抑制泄露，并進行20次平均，以消除結構非線性的影響，從非線性系統中得到最佳線性頻響特性估計，同時還可以消除噪聲干擾和畸變.

本次試驗分別對被試車原結構及改進結構的側墻組成進行了比對測試分析，測量分析的重點在與振動電機接近的15～35 Hz的模態振型.

(2)應變測試

在端部側板靠近側柱及上側梁的焊縫位置處布置了15個應變測點，如圖4所示.為了便于現場監測各測點在不同頻率載荷振動下的受力情況，分別采用20～30 Hz的正弦信號進行激勵，采用MDR型動態數據采集系統對應變信號進行采集記錄.本次試驗分別對被試車原結構及改進結構按相同試驗方法進行了測試分析.

圖4 應力測點布置圖

3 測試結果

3.1 車體原結構測試結果

3.1.1 模態測試結果

應用LMS軟件中Modal Analysis模態分析模塊對測試數據進行分析處理，模態分析計算原理如圖5所示.經過模態參數計算可得到各階模態的自相關函數圖，模態超復性MOV，模態相位共線性MPC和平均相位偏離等信息.通過對車體模態計算結果進行綜合分析和評價參數來確定試驗結果的準確性和有效性.

圖5 模態分析計算原理圖

車體側墻板原結構的的模態測試參數見表1.頻率為23.389 Hz的局部振型如圖6所示.

表1 原結構的模態測試參數表

圖6 23.389 Hz局部振型圖

試驗結果分析:

(1)原結構在23.389 Hz附近，車體側墻組成的兩端側板出現局部振型，與偏心輪電機24 Hz工作頻率存在共振帶，其余側板相對保持靜止，無共振現象.共振的結果會使振動能量集中于端部側板，導致端部側板產生大幅度振動，在使用的過程中容易造成局部疲勞破壞;

(2)側板27.818 Hz的局部振型與偏心輪電機使用工況振動頻率偏離，不會產生共振.其余為整體振型或頻率偏離較大，使用過程不會產生共振及局部損壞.

3.1.2 應變測試結果

采用DDP動態信號處理系統對應變測試結果進行了分析處理，選取產生應變最大的前4個測點進行了應變測試值統計分析，測試結果如圖7所示.

圖7 原結構應變響應統計圖

試驗結果分析:

(1)從圖7可以得出，激勵頻率為24 Hz區域時出現突兀的應變響應峰值，表明側板與小立柱連接焊縫處產生了較大幅值的交變應力，與原結構在23.389 Hz車體側墻組成的端部側板出現局部二階振型的模態測試結果相吻合，證明原結構與垂向振動電機使用工況存在共振帶;

(2)車體側墻內側中部有一根橫貫的冷彎角鋼，測點12～測點15位于冷彎角鋼和上/下側梁中部位置，測點12、測點14位于端部側板上，這兩點的應變值大于位于小立柱另一側對應的測點13、測點15.

根據兩種測試方法的試驗結果分析，提出了以下結構改進方案:

在車體每個側墻內側增加1根冷彎角鋼，對側墻進行整體加強，同時考慮到端部側板產生的應變較大，對每塊端部側板再增加兩塊條形鋼板進行局部加強.改進方案調整了側墻局部剛度，以避開垂向24 Hz的共振頻率.

3.2 改進后的車體側板測試結果

3.2.1 模態測試結果

結構改進后，使用同樣的激勵法對車體側板進行了模態試驗，得到的側板模態參數見表2.

表2 改進后的模態測試參數表

試驗結果分析:

(1)改進結構在垂向24 Hz激勵下，雖然車體側墻組成產生了 16.677、23.961、26.742 Hz的振動頻率，但均為整體振型，無位移較大的局部模態，不會造成側板損壞;其余頻率均偏離較大，不會引起共振及局部損壞;

(2)通過提高局部剛度，改進結構改變了車體側墻的振動頻率及振型，對局部模態影響較大，避免了垂向24 Hz振動工況下的局部共振現象.

3.2.2 應變測試結果

改進結構采取了與原結構相同的應變測試方法及數據分析方法，結果如圖8所示.

圖8 改進結構應變響應統計圖

試驗結果分析:

從圖8可以得出，改進結構在垂向激勵頻率為24 Hz時，各測點的應變測試值均較小，改進效果顯著.結果表明在激勵頻率為24 Hz時不會產生共振，同時也驗證了模態測試結果的準確性.

4 結論

(1)原結構在23.389 Hz頻率下，車體側墻組成的兩端側板出現局部二階振型，與垂向振車電機24 Hz工作頻率存在共振帶，局部應變測試值較大，振動能量集中于端部側板，導致其產生大幅度振動，使用過程中將會導致側墻板疲勞破壞;

(2)原結構側墻板的27.818 Hz頻率下局部模態與垂向振車電機24 Hz振動頻率有所偏離，不會引起共振，其余模態為整體振型或頻率偏離較大，均不會引起共振及局部損壞;

(3)改進結構的車體側墻組成雖然產生了16.677、23.961、26.742 Hz振動頻率，但均為整體振型，無局部模態，局部應變測試值均較小，因此，在垂向振車電機24 Hz激勵下，不會引起局部共振，其余模態頻率均偏離較大，均不會引起共振及局部損壞;

(4)應變測試結果直觀地體現了車體結構改進效果的顯著性，驗證了模態測試結果的有效性;

(5)通過提高局部剛度，改進結構改變了車體側墻的振動頻率及振型，避免了振車電機24Hz振動工況下的局部共振現象，且具有較大的共振頻率安全范圍，改進后的結構可以滿足振車電機在24 Hz工作頻率下正常使用的要求.

［1］何遠新，張立民，郭小鋒.GQ70型鐵路罐車模態仿真及試驗研究［J］.機械設計，2012，29(11):41-45.

［2］張衛華.機車車輛動態模擬［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［3］樸明偉，張祥杰，王婷.單層雙層集裝箱車體振動特征分析［J］.鐵道機車車輛，2008，28(6):4-7.

［4］張亞輝，林家浩.結構動力學基礎［M］.大連:大連理工大學出版社，2007:205-225.

［5］陳陽，朱茂桃，周孔亢.基于模態方法的車門動態特性研究［J］.汽車技術，2011，5:25-29.

Modal Testing and Improvements of Side Plate of Open Top Wagon Based on Local Strain Method

LIU Feng-qin，LI Xiang-wei

(CNR Qiqihar Railway Rolling Stock Co.，Ltd，Qiqihar 161002，China)

In the modal testing of the side plate of wagon body，the inherent frequency and vibration mode of the side plate are measured by local strain method.The comparison of the results shows that the second order vibration mode happens to the two ends of the side plate of wagon body under the frequency of 23.389 Hz with obviously increased local strain，and the resonance phenomenon happens under the excitation of the approximate frequency.After modification of the rigidity of the side plate，the same test and measurement results show that no resonance phenomenon happens，which means that the improved side plate structure is more reasonable.

open top wagon side plate;modal test;strain test;structure improvement

A

1673-9590(2013)06-0027-04*

2013-03-06

鐵道部科技研究開發計劃資助項目(2011J014-B)

劉鳳芹(1972－)，女，高級工程師，碩士，主要從事鐵路貨車及其零部件試驗工作的研究

E-mail:xinyue_288@126.com.