多目標比例車體振動試驗臺的結構設計＊

張 盈，繆炳榮，梅 翔，李 偉，朱少成

（西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

隨著高速鐵路的快速發展，軌道車輛車體結構的輕量化和抗疲勞性能的設計要求越來越高［1-2］。但是進行整車結構線路動應力試驗和振動測試費用非常高昂，而利用比例車體可以更好地研究車體結構的不同截面尺寸以及不同質量、材質和結構強度、剛度等設計參數下的車輛減振特性。M.Kozek，C.Bilik等［3］采用 MATLAB／Simulink工具對1∶10地鐵車體結構比較不同的減振措施。Taodao Takigami等［4］采用1∶5的日本新干線地鐵模型，利用壓電元件對大型鐵路車輛的彎曲振動進行研究，提出抑制比例車體模型一階彎曲的方法。另外，Kotaro Ishiguri等［5］采用1∶12的比例車體模型，對車輛的三維彈性振動問題進行分析，進而提出減少彈性振動的方法。國外對于比例車體的研究主要是針對舒適度進行的，且設計簡單，試驗方式單一。針對上述問題，設計了一種新的比例車體試驗臺。可以采用錘擊法或激振器法進行結構模態試驗。通過激振器法（或錘擊法）測得比例車體結構的頻響函數，進行數據處理分析后得到比例車體的模態參數及結構振型，然后對車體結構進行動態性能評價，且可以在試驗分析結果的基礎上研究結構輕量化和尺寸優化所帶來的結構強度和剛度的等效問題。限于篇幅，本文主要針對比例車體試驗臺的結構設計和分析進行詳細的闡述。

1 試驗臺簡介

1.1 試驗臺的功能用途

利用該試驗臺可以根據線性和非線性振動理論，通過結構模態試驗研究車體激勵、系統和響應三者之間的關系，并在模態分析結果的基礎上對比例車體的共振頻率、阻尼、振型等進行進一步分析。該結構模態試驗是利用專業振動分析軟件（So Analyser）進行試驗和數據處理分析，并得到比例車體結構的頻率、振型和阻尼等［6］模態參數。通過這些模態參數可對比例車體進行動態性能評估。同時，結合現代結構模態測試理論，可以詳細研究車體結構的動態特性和車體抗疲勞特性之間的關系和作用機理。而且在物理參數模型的基礎上，可以進一步進行載荷識別和靈敏度分析，進而實現結構的參數識別和優化。另外，根據試驗獲得的動態特性和結果，可以對車體結構比例縮小后的剛度和阻尼進行等效性研究。在等效性研究的基礎上，可以進一步研究車體結構的振動傳遞性和結構的載荷作用。

1.2 試驗系統介紹

試驗系統由振動試驗臺、比例車體、信號發生器、功率放大器、激振器、傳感器、信號線以及信號采集系統和分析軟件等組成，如圖1所示。根據文獻［7］中關于模態試驗測點的布置原則，即測點的數目取決于所選的頻率范圍、期望的模態數以及所關心結構的區域；為減少漏掉模態的機會，測點均勻分布較好。由于主要研究該比例車體的前三階模態，因此在比例車體上選取7個截面進行測點布置，如圖1所示。

圖1 振動試驗臺模態試驗的系統組成

2 結構設計

在進行比例車體試驗臺的設計過程中，采用車體的比例是1∶8，如圖2所示為比例車體振動試驗臺組成。比例車體的懸掛是靠與吊架相連接的軟彈簧來實現的。該試驗臺長約4 000mm，寬約1 040mm，高約2 000 mm。

圖2 1∶8比例車體振動試驗臺

下面介紹比例車體試驗臺各部分的功能和作用。（1）端部吊架可以方便的調節比例車體的高度，實現了水平結構的微調和激振器的安全連接；

（2）中間吊架可以實現雙向移動，實現對比例車體的第2種吊掛支撐方式，實現車體結構扭轉模態的試驗和分析，并且可以通過中間吊架的移動來調節支撐點位置；

（3）安裝的多個激振器，可以實現單點、多點激勵的模態試驗和分析。

2.1 端部吊架

端部吊架是由底座、絲杠傳動機構、豎架、方管懸臂梁、吊環以及鋼板尺等組成。底座由6塊鋼板和一塊大理石板組成。6塊鋼板通過焊接連接在一起，大理石板是通過螺栓固定在鋼板上。在鋼板上覆蓋大理石板，可以起到增加底座重力和隔振的作用［8］。絲杠傳動機構通過滑塊與方管懸臂梁聯系起來，實現懸臂梁與絲杠的同步升降。

方管懸臂梁由3段方管焊接而成。由于1∶8比例車體采用實際動車組的車體材料，其質量大約40～50kg左右，根據標準GB／T 6728，選擇40mm×40mm×4mm Q235方管，其質量為4.68kg／m。在實際使用當中，為了靈活應用，我們可以在懸臂梁上按一定的間隔開幾個螺紋孔。豎架是由10＃等邊槽鋼和兩塊鋼板焊接而成的。方管懸臂梁與豎架的連接方式，如圖3所示。

圖3 方管懸臂梁與豎架的連接方式

端部吊架與比例車體之間采用的是剛度和阻尼都很小的彈簧懸掛的自由支撐方式，如圖2所示。為降低彈簧對模態測量結果的影響，將支撐點選在比例車體結構所關注的節點附近，并使結構的連接點處于或接近于盡可能多的模態節點上，將比例車體的自由支撐體系與所關注的模態主振動方向正交。

2.2 中間吊架和激振器底座

中間吊架主要是由鋼板、等邊角鋼、槽鋼等組成。它是一種框架結構，通過焊接實現各部件之間的連接。頂部槽鋼和側面等邊角鋼上的孔是為了便于布置信號線。

激振器底座如圖4所示，由底座和激振器組成。該底座與吊架底座類似，也是由焊接的6塊鋼板和大理石組成。兩個激振器通過螺栓固定在大理石板上。

圖4 激振器底座

2.3 底架

底架與兩端吊架、底架與中間吊架、底架與木托架連接，以及底架與激振器底座都是采用螺栓連接。這樣可以使激振器底座和中間吊架在試驗時，可以根據實際測試位置進行調節，這給試驗帶來了可操作的靈活性。同時，這樣可以使試驗臺實現快速、高效的拆卸，并且試驗臺的每個部分都可以由一個人來完成。

底架由槽鋼、等邊角鋼、保護板和鋼板等組成。槽鋼與兩端鋼板采用角鋼和螺釘連接，并可以保證足夠的強度和剛度。為了防止試驗操作人員在試驗時受到傷害，在底架兩端添加4個保護板。

3 結構強度分析

多目標比例車體振動試驗臺，在實際應用過程中，實際上是利用端部吊架或是中間吊架起著主要支撐受力作用。因此在進行強度分析時，只對吊架關鍵部件進行強度分析。

3.1 力學模型

如圖2所示，比例車體在一階振型節點位置上橫放兩根打孔的鋼棍，這兩根鋼棍的4個端點由4根彈簧拉向方管懸臂梁。根據車體吊掛方式，建立如圖5所示的力學模型。

假設比例車體處于理想狀態，α1=α2=α3=α4=α，且F1=F2=F3=F4=F，根據設計振動試驗臺的幾何關系，可以得到α的范圍是［33°，78°］，建立如下力學平衡方程：

根據文獻［9］中提出的車體結構設計要求，車體加速度為0.2g。由于實際條件的限制，比例車體采用的是CRH380型高速列車的車型，比例車體的自重約50kg。多種車型有待于以后的研究。通過計算得到最大的力Fmax=270N。

3.2 端部吊架和中間吊架的有限元分析

由于多目標比例車體振動試驗臺在進行振動試驗過程中，主要受力部件是吊掛比例車體的吊架，所以在使用ANSYS軟件進行分析時，只針對吊架進行分析。同時，在進行有限元分析時，對端部吊架模型進行簡化。在建模完成后，分別對端部吊架和中間吊架進行有限元分析，分別得到如圖6、圖7所示有限元分析圖。

從有限元分析中，可以得到端部吊架最大應力為76.553MPa，最大位移0.293×10-8m；中間吊架最大應力為2.61MPa，最大位移為0.904×10-5m。由于76.553MPa＜235MPa，且2.61MPa＜235MPa，所以這兩種支撐吊掛方式是符合強度要求的。

圖6 端部吊架有限元分析圖

圖7 中間吊架有限元分析圖

4 結論與展望

本文針對多目標比例車體振動試驗臺進行結構設計，通過對關鍵結構部件進行詳細的有限元分析，說明該試驗臺的結構強度是可以滿足試驗分析需要的。論文的后續工作主要集中在比例車體結構的試驗數據的采集和分析，以及結構等效性和抗疲勞特性等研究。

［1］繆炳榮，張衛華，肖守訥，金鼎昌.機車車輛車體結構動應力計算方法［J］.交通運輸工程學報，2007.12（6）：17-20.

［2］Pelle Carlbom Carbody and Passenger in Rail Vehicle Dynamics［D］.Stockholm：Railway Technology Department of Vehicle Engineering Royal Institute of Technology，2000.

［3］M.Kozek，C.Bilik and C.Benatzky.A PC-based multi purpose test bed environment for structural testing and control［C］.Proceedings of the REV2006Conference，Maribor，Slovenia，29-30June 2006.

［4］Taodao Takigami，Takahiro Tomioka and Joel Hansson.Vibration Suppression of Railway Vehicle Carbody with Piezoelectric Element［J］.Journal of Advanced Mechanical Design systems and Manufacturing，2007，1（5）：649-660.

［5］Kotaro Ishiguri，Yukinori Kobayashi，Takahiro Tomioka and Yohei Hoshino.Vibration Analysis of Railway Carboy Using a Shell Model［J］.Journal of System Design and Dynamics，2008，2（1）：93-104.

［6］張力.模態分析與實驗［M］.北京：清華大學出版社，2011.

［7］白化同，郭繼忠 譯.模態分析理論與試驗［M］.北京：北京理工大學出版社，2001.

［8］M.Kozek，C.Bilik，and C.Benatzky.A pc-based flexible solution for virtual instrumentation of a multipurpose test bed［J］.International Journal of Online Engineering，2006，2（4）：1-6.

［9］Standard Specifications for Urban Transit Unit，Bull.of Min.of Con.and Transp.of Kor.Govern，（in Korean）［S］，No.1998-53（1998）：173-182.