車體配重對車體1階垂彎頻率的影響分析

張遠亮，張立民，張艷斌，孫現亮

(1 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031; 2 南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111)

車體配重對車體1階垂彎頻率的影響分析

張遠亮1，張立民1，張艷斌1，孫現亮2

(1 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031; 2 南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111)

為研究車體配重對車體1階垂彎頻率的影響，建立了車體有限元模型，考慮了地板配重、地板枕梁內外配重比及乘員剛性和彈性連接等情況。同時對車體在空載、配重大米和定員情況下進行了模態試驗。結果表明:在定員人數相同情況下，乘員彈性連接車體1階頻率比剛性連接高;在配重大米(定員78人)與定員78人相比，定員78人狀態車體1階垂彎頻率比配重大米(定員78人)頻率高。

配重;1階垂彎頻率;有限元模型;模態試驗

車體的模態表現出車體固有的振動特性，而整備車的1階垂彎頻率是考核高速列車剛度的重要指標［1，2］。德國ICE技術任務書中規定:整備狀態下的車體彎曲自振頻率與轉向架點頭頻率或浮沉自振頻率之比應大于1.4［3］;國際鐵路聯盟UIC要求車體的一階垂向彎曲自振頻率不低于10 Hz［4］。

本文對車體進行有限元仿真時，將車體視為有限個自由度的離散體［5-6］，考慮了地板配重、地板枕梁內外配重比及乘員剛性和彈性連接等情況。同時對車體在空載、配重大米和定員情況下進行了模態試驗。試驗結果對車體結構設計及頻率匹配具有一定的意義。

1 模態分析理論

模態分析的實質，是一種坐標變換。其目的在于把原來在物理坐標系統中描述的響應向量，放到所謂"模態坐標系統"中來描述，這一坐標系統的每一個基向量恰是振動系統的一個特征向量［7］。

一般來講，實際結構是一個連續的彈性線性結構，作離散化處理后是一個多自由度系統，它在物理坐標系統中的運動微分方程實際上為結構動力學模態分析中的特征值問題。一個n自由度振動系統的運動微分方程為［7］:

假定振動系統為自由振動并忽略阻尼:

這是一個二階常系數線性奇次微分方程組，其解的形式為:

代入上式得:

此為一個廣義特征值問題。對于n自由度系統，求解該方程便可確定ωn和n即特征解:

其中ω1，ω2，…，ωn代表系統的n個固有頻率(模態頻率)，特征向量1，2，…，n代表系統對應的n個固有振型。

2 有限元仿真分析

車體總重為8.536 t，車體主要由底架、側墻、車頂、端墻以及車體附件等組成。車體為自由狀態，計算結果為自由模態。本文研究的車體模型主要采用4節點殼單元SHELL63和質量點單元MASS21進行離散。

2.1 地板均勻配重

通過改變地板密度，將質量均勻的添加到地板上。仿真結果見表1。

表1 地板均勻配重與1階垂彎頻率

地板均勻配重與1階垂彎頻率關系見圖1。

從圖1可以看出，隨著地板配重的不斷增加，車體1階垂彎頻率不斷降低;剛開始降低速度較快，隨后降低速度較慢。

2.2 枕梁內外配重

將地板分為枕梁內與枕梁外兩部分，配重總質量一定，改變枕梁內外配重比。

配重比定義為配重比=枕外配置的質量/枕內配置的質量。仿真結果見表2。

表2 地板枕梁內外配重比與1階垂彎頻率 Hz

地板枕梁內外配重比與1階垂彎頻率關系見圖2。

圖2 地板枕梁內外配重比與1階垂彎頻率關系

從圖2可以看出，隨著地板配置質量的增加，車體1階垂彎頻率不斷降低;隨著配重比的增加，即枕梁外地板質量相對枕梁內地板質量增加，車體1階垂彎頻率不斷降低。

2.3 乘員配重

按定員數配重，將乘員簡化為質量塊單元，并按剛性與彈性連接方式仿真分析(表3)。

表3 乘員配重與車體1階垂彎頻率

乘員配重與車體1階垂彎頻率關系見圖3。

圖3 乘員配重與車體1階垂彎頻率

從圖3可以看出:

(1)在乘員剛性連接的情況下，隨著定員人數的增加，車體1階垂彎頻率不斷降低。

(2)在乘員彈性連接的情況下，隨著定員人數的增加，車體1階垂彎頻率略有增加。

(3)在定員人數相同情況下，乘員彈性連接車體1階頻率比剛性連接高。

3 車體配重試驗分析

對某動車組中間車進行靜態臺架模態試驗，測試車體模態參數，即模態固有頻率、模態振型等。車體為整備狀態，坐落于空氣彈簧支撐的轉向架上方，車體兩端車鉤未連掛其他車體。車體與4個激振器相連，利用正弦步進掃頻激勵，激勵頻率為0～50 Hz。

車體配重工況見表4。

表4 車體配重情況

配重大米相當于有限元仿真中剛性連接，定員相當于彈性連接。利用Test.Lab軟件識別車體模態參數，識別結果見表5。

表5 車體模態參數

圖4 不同狀態下車體1階垂彎頻率

從圖4可以看出:

(1)隨著車體配重從空載、配重大米(定員78人)配重大米(到定員197)，車體1階垂彎頻率不斷降低。

(2)在配重大米(定員78人)與定員78人相比，定員78人狀態車體1階垂彎頻率比配重大米(定員78人)頻率高。這與乘員配重彈性與剛性仿真分析結果相符。

(3)定員與配重大米相比，與現實運營情況更加接近，更具有真實性的結果。

4 結論

通過上述分析可得到如下結論:

(1)無論是仿真計算還是試驗分析，隨著配重的增加，車體1階垂彎頻率不斷降低。

(2)在定員人數相同情況下，乘員彈性連接車體1階頻率比剛性連接高;在配重大米(定員78人)與定員78人相比，定員78人狀態車體1階垂彎頻率比配重大米(定員78人)頻率高。

(3)定員與配重大米相比，與現實運營情況更加接近，更具有真實性的結果。

［1］ 200 km/h及以上速度級鐵道車輛強度及試驗暫行規定［Z］.北京:中國鐵道科學研究院，2001.

［2］ European Committee For Standardization.EN 12663:Structural requirements of railway vehicle bodies［S］.London: British Standards Instituin，2000.

［3］ 嚴雋耄，傅茂海.車輛工程［M］.北京:中國鐵道出版社，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］ 郝魯波，胡青泥，李 剛.整備狀態下客車模態的有限元探討［J］.鐵道車輛，2004，42(11):4-7.

［6］ 王 丹，李 強.高速客車車體鋼結構彈性模態分析研究［J］.北方交通大學學報，2001，25(4):94-96.

［7］ Ward Heylen，Stefan Iammens，Paul Sas.白化同，郭繼中譯.模態分析理論與試驗［M］.北京:北京理工大學出版社，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，碩士研究生(

2014－07－14)