基于ANSYS的高速列車車身振動(dòng)仿真研究

楊忠凱，閔祥斗，左言言

(江蘇大學(xué)振動(dòng)噪聲研究所，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

基于ANSYS的高速列車車身振動(dòng)仿真研究

楊忠凱，閔祥斗，左言言

(江蘇大學(xué)振動(dòng)噪聲研究所，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

為了研究高速列車車身的振動(dòng)特性，建立了高速列車車體的有限元模型，并在ANSYS中對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。仿真結(jié)果表明車頂和端門處的振動(dòng)偏大。通過增加車頂厚度和在端門處添加加強(qiáng)肋來進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)在ANSYS中進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真分析結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

高速列車;有限元建模;模態(tài)分析;諧響應(yīng)分析

高速列車是人們出行時(shí)的主要交通工具之一，人們對(duì)其乘坐的舒適性要求也越來越高。車內(nèi)噪聲是影響高速列車乘坐舒適性的重要指標(biāo)［1］。高速列車室內(nèi)的噪聲主要包括車身壁板的振動(dòng)所引起的噪聲，以及經(jīng)車門及空調(diào)等部位輻射進(jìn)來的外部噪聲［2］，其中車身振動(dòng)占主要部分。車身振動(dòng)引起的噪聲屬于低頻噪聲［3－4］，因此研究高速列車車身的振動(dòng)特性，對(duì)改善其室內(nèi)聲品質(zhì)及提高高速列車的乘坐舒適性具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。

1 有限元模態(tài)分析的基本原理

若質(zhì)量矩陣和剛度矩陣都是實(shí)對(duì)稱正定矩陣，則求得的特征值數(shù)量與矩陣的階次相同。由此，在不考慮任何倍數(shù)差別的情況下，可確定n個(gè)實(shí)矢量ei，稱其為系統(tǒng)的主振型。對(duì)于所研究結(jié)構(gòu)的每個(gè)固有頻率，式(4)確定出各節(jié)點(diǎn)的相對(duì)振幅值{Φ}={Φ1，Φ2，Φ3，….，Φn}，它們構(gòu)成一個(gè)向量，稱為特征向量，在工程上通常稱為固有振型［5］。

2 車身的有限元建模

為了實(shí)現(xiàn)高速列車車體的輕量化，構(gòu)成車體零件的材料主要為大中型鋁合金擠壓型材，這些零件即為空間薄殼零件。因此，在使用ANSYS進(jìn)行有限元分析時(shí)，選用既能抵抗壓力，又能抵抗彎曲和扭轉(zhuǎn)的shell63單元。該單元有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度。在確定shell63單元的基本尺寸時(shí)，應(yīng)綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算速度。最終所選的基本單元尺寸為90 mm。單元類型選用計(jì)算精度較高的四邊形單元。在個(gè)別零件處選用三角形和四邊形的混合單元來劃分網(wǎng)格。劃分的有限元模型如圖1所示。該有限元模型共有shell63單元134 965個(gè)，rigid單元6 954個(gè)，節(jié)點(diǎn)96 711個(gè)。

圖1 高速列車車體和端門的有限元模型

3 模態(tài)分析

在模態(tài)分析過程中使用一致質(zhì)量矩陣，并選用ANSYS中的Sparse求解器和BlockLanczons模態(tài)提取法對(duì)高速列車車身有限元模型進(jìn)行仿真分析。可知車體結(jié)構(gòu)前6階模態(tài)是剛體模態(tài)，其模態(tài)頻率接近零。因此，去掉前6階剛體模態(tài)后，結(jié)構(gòu)的前8階模態(tài)頻率和振型如表1和圖2所示。

表1 車體結(jié)構(gòu)前8階自由模態(tài)

由圖2可知:車體第2階模態(tài)頻率和第6階模態(tài)頻率分別為6.818 9 Hz和12.93 0 Hz，表現(xiàn)為端門的彎曲變形;車體的第7階模態(tài)頻率和第14階模態(tài)頻率分別為13.410 Hz和22.316 Hz，表現(xiàn)為車頂?shù)?階垂直彎曲變形。由此可見，端門處的剛度比較低，車頂處的剛度需要增強(qiáng)。

圖2 車體的局部模態(tài)

4 結(jié)構(gòu)的改進(jìn)措施和仿真響應(yīng)

根據(jù)以上模態(tài)分析的結(jié)果可知:結(jié)構(gòu)車體在車頂以及端門處的變形較大，說明這些零件的剛度比較低，也可以認(rèn)為這些部位的振動(dòng)能量比較大。因此，在對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)時(shí)要著重考慮這些位置。

對(duì)于板件，一般有3種減少振動(dòng)和降低噪聲［6－7］的方法:改變板件的厚度，添加阻尼材料，提高板件的剛度。

本文基于車體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及以上3種減振方法在該有限元模型中實(shí)施的難易程度，同時(shí)考慮實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性等因素，最終確定將車頂?shù)暮穸扔?.5 mm增加到3.5 mm，并通過提高端門剛度(添加圖1所示的L形加強(qiáng)肋)來減小振動(dòng)［8－11］。為了驗(yàn)證所選用方法的可行性，在車頂取2個(gè)響應(yīng)點(diǎn)，在端門上取1個(gè)響應(yīng)點(diǎn)，通過ANSYS進(jìn)行諧響應(yīng)分析來比較其改進(jìn)前后在單位簡(jiǎn)諧力的激勵(lì)下響應(yīng)點(diǎn)振動(dòng)幅值的變化。響應(yīng)點(diǎn)的選取如表2所示。

表2 車身上響應(yīng)點(diǎn)位置及位移方向

通過計(jì)算得到改進(jìn)前后各節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)曲線，如圖3所示。

圖3 響應(yīng)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)曲線

分析改進(jìn)前后各節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)曲線可得:

1)節(jié)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)曲線圖3(a)表明:在改進(jìn)前的車頂前部節(jié)點(diǎn)3041的Y方向上，頻率為16，24和62 Hz處響應(yīng)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)能量比較大。由圖3 (b)可知:對(duì)車頂采取增加厚度等措施后，在16，24和62 Hz處該節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)能量明顯減小。

2)由圖3(c)和圖3(d)可知:對(duì)于車頂后部的響應(yīng)節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后在能量較大的頻率16和24 Hz處，振動(dòng)能量顯著降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3)對(duì)比圖3(e)和圖3(f)可以看出:未對(duì)端門進(jìn)行改進(jìn)之前，在端門44591響應(yīng)節(jié)點(diǎn)的Z方向上，36和62 Hz處的振動(dòng)能量偏大。在對(duì)端門添加加強(qiáng)肋，提高其結(jié)構(gòu)的剛度后，在以上2個(gè)頻率處振動(dòng)能量降低。

以上分析說明，通過對(duì)車頂增加厚度和對(duì)端門提高剛度的方法，能有效地減少振動(dòng)響應(yīng)量，進(jìn)而有效改善車體的動(dòng)態(tài)特性。

5 結(jié)束語

通過ANSYS建立了高速列車車身的有限元模型，并對(duì)該有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到了高速列車車體的振動(dòng)特性。通過分析可知，車頂和端門部件振動(dòng)幅值較大，因此對(duì)車頂和端門部件提出了改進(jìn)措施。對(duì)改進(jìn)前后的有限元模型分別進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到了改進(jìn)前后車體結(jié)構(gòu)上代表節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)曲線。通過分析可知，增加車頂?shù)暮穸龋?］和提高端門的剛度對(duì)減小高速列車車身振動(dòng)有著積極的作用。

［1］張焱，左言言.客車車內(nèi)降噪設(shè)計(jì)［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2011(1):69－72.

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(責(zé)任編輯 劉舸)

Vibration Simulation of the Car-body of High Speed Trains Based on ANSYS

YANG Zhong－kai，MIN Xiang－dou，ZUO Yan－yan
(Vibration and Noise Research Institute，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

To study the vibration characteristics of high－speed train car，the finite element model of the car－body of high－speed train was established and its modal analysis and harmonic analysis results were gained in ANSYS.The results show that the vibration of the roof and the side door is too large.Therefore，there has some structural improvements by increasing thickness on the roof and reinforcing ribs on the side door，and the finite element model of the structure of the improved is simulated in ANSYS.Finally the validity of the method is tested by simulation analysis and verification.

high speed train;finite element modeling;modal analysis;harmonic response analysis

U 27;TH213.6

A

1674－8425(2014)05－0024－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.05.005

2013－12－29

教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20103227110009)

楊忠凱(1988—)，男，山東聊城人，碩士研究生，主要從事車輛振動(dòng)與噪聲控制研究。

楊忠凱，閔祥斗，左言言.基于ANSYS的高速列車車身振動(dòng)仿真研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(5):24－27.

format:YANG Zhong－kai，MIN Xiang－dou，ZUO Yan－yan.Vibration Simulation of the Car－body of High Speed Trains Based on ANSYS［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(5):24－27.