動(dòng)車(chē)組車(chē)體截面輪廓對(duì)車(chē)體模態(tài)頻率影響規(guī)律研究*

賈尚帥, 李明高, 張　軍

(1　唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司， 河北唐山 063035；2　大連交通大學(xué)載運(yùn)工具先進(jìn)技術(shù)研究中心， 遼寧大連 116028)

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動(dòng)車(chē)組車(chē)體截面輪廓對(duì)車(chē)體模態(tài)頻率影響規(guī)律研究*

賈尚帥1, 李明高1, 張軍2

(1唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司， 河北唐山 063035；2大連交通大學(xué)載運(yùn)工具先進(jìn)技術(shù)研究中心， 遼寧大連 116028)

動(dòng)車(chē)組車(chē)體結(jié)構(gòu)模態(tài)是影響車(chē)輛乘坐舒適度的主要因素之一,車(chē)體結(jié)構(gòu)模態(tài)須滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。建立某城際動(dòng)車(chē)組車(chē)體參數(shù)化有限單元模型，計(jì)算車(chē)體模態(tài)，分析車(chē)體底架、側(cè)墻、頂板總厚度及車(chē)體寬度、高度對(duì)車(chē)體模態(tài)的影響。通過(guò)車(chē)體截面輪廓參數(shù)對(duì)車(chē)體模態(tài)頻率的影響規(guī)律分析對(duì)車(chē)體截面進(jìn)行修改，得到理想的車(chē)體結(jié)構(gòu)，提高車(chē)體模態(tài)頻率使其滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

動(dòng)車(chē)組； 有限元法； 車(chē)體截面； 模態(tài)頻率

車(chē)體是構(gòu)成車(chē)輛的主體結(jié)構(gòu)，對(duì)車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能有重要影響，車(chē)體結(jié)構(gòu)模態(tài)是影響車(chē)輛乘坐舒適度的主要因素之一[1-4]。車(chē)體結(jié)構(gòu)在減重的同時(shí)可能會(huì)使車(chē)體剛度相應(yīng)降低，并導(dǎo)致車(chē)體模態(tài)頻率不能滿足相關(guān)要求；或者當(dāng)車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或材料選用不當(dāng)時(shí)，也可能導(dǎo)致車(chē)體模態(tài)頻率偏低，可能導(dǎo)致車(chē)體模態(tài)與轉(zhuǎn)向架模態(tài)產(chǎn)生共振等問(wèn)題，使車(chē)輛產(chǎn)生較大振動(dòng)，因此車(chē)體模態(tài)頻率要滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[5-6]。動(dòng)車(chē)組車(chē)體普遍采用中空鋁型材制造，由拉伸鋁型材焊接形成車(chē)體底架、側(cè)墻、頂板和端墻等主體結(jié)構(gòu)，再將各結(jié)構(gòu)焊接在一起形成車(chē)體。車(chē)體模態(tài)不但與構(gòu)成車(chē)體底架、側(cè)墻、頂板各板件的厚度及總厚度有關(guān)[7]，而且與車(chē)體高度和寬度關(guān)系密切[8]。

針對(duì)某城際動(dòng)車(chē)組車(chē)體模態(tài)頻率較低問(wèn)題，建立車(chē)體有限單元模型，分析車(chē)體底架、側(cè)墻、頂板總厚度及車(chē)體高度和寬度對(duì)車(chē)體模態(tài)頻率的影響，得到較理性的車(chē)體結(jié)構(gòu)，使車(chē)體模態(tài)頻率得到較大提高。

1　結(jié)構(gòu)模態(tài)分析基本理論

(1)

(2)

設(shè){x}={X}eiωt，{X}為車(chē)體振動(dòng)幅值向量，即車(chē)體振型向量，ω為車(chē)體自由振動(dòng)角頻率；代入式(2)，得車(chē)體振動(dòng)的特征方程為

(3)

求解方程式(3)可以得到車(chē)體各階模態(tài)頻率λi(λi=ωi/2π)和振型{Xi}。車(chē)體前幾階模態(tài)對(duì)降低車(chē)體振動(dòng)響應(yīng),提高乘坐舒適度是至關(guān)重要的。

2　車(chē)體有限單元模型及模態(tài)分析

2.1有限單元模型

該動(dòng)車(chē)組為城際動(dòng)車(chē)組，其特點(diǎn)為車(chē)體中間設(shè)置一個(gè)車(chē)門(mén)，加上車(chē)體兩端的車(chē)門(mén)共3個(gè)車(chē)門(mén)，以方便旅客快速上、下車(chē)。車(chē)體用拉伸鋁型材制造，鋁型材的性能參數(shù)為：彈性模量為71 GPa，密度為2 700 kg/m3，泊松比為0.33。按照不同的結(jié)構(gòu)部位及板殼厚度，整個(gè)車(chē)體共劃分成96個(gè)組，每個(gè)組對(duì)應(yīng)1個(gè)板殼厚度，板殼厚度從2.5 mm到15 mm不等。用Hypermesh軟件劃分車(chē)體有限單元網(wǎng)格，基于有限單元法用Nastran軟件計(jì)算車(chē)體模態(tài)；車(chē)體共劃分493 721個(gè)有限單元，采用三角形和四邊形單元，以四邊形單元為主，單元邊長(zhǎng)約為50 mm。總體和局部有限單元模型如圖1所示。

圖1　車(chē)體有限單元模型

2.2模態(tài)計(jì)算

模態(tài)計(jì)算用整車(chē)模型，純車(chē)體前3階彎曲模態(tài)振型如圖2所示，前3階模態(tài)頻率分別列在表1中。表1表明,該車(chē)鋁合金車(chē)體一階垂彎模態(tài)頻率為14.85 Hz，該值較低，會(huì)降低車(chē)輛乘坐的舒適度，純車(chē)體一階垂彎模態(tài)頻率一般需要大于17 Hz才能保整備車(chē)模態(tài)大于10 Hz的要求[9]，需要通過(guò)結(jié)構(gòu)修改使其提高,以滿足相關(guān)要求。

圖2　車(chē)體前3階模態(tài)振型

3　截面輪廓參數(shù)對(duì)模態(tài)頻率的影響

3.1車(chē)體截面設(shè)計(jì)變量

車(chē)體截面輪廓參數(shù)如圖3所示。主要計(jì)算車(chē)體截面主要輪廓參數(shù)對(duì)車(chē)體模態(tài)頻率的影響，包括底架厚度、側(cè)墻厚度、車(chē)頂厚度、車(chē)體高度、車(chē)體寬度5個(gè)參數(shù)。

表1　模態(tài)振型及頻率

圖3　車(chē)體截面輪廓參數(shù)

3.2截面參數(shù)對(duì)模態(tài)頻率影響

車(chē)體底架厚度、側(cè)墻厚度、車(chē)頂厚度、高度、寬度對(duì)車(chē)體前3階模態(tài)頻率的影響分別如表2～表6所示。各表中第一行為車(chē)體原始結(jié)構(gòu)參數(shù)及模態(tài)頻率值。

表2　底架厚度對(duì)模態(tài)頻率影響

表2表明，底架厚度增加到74 mm時(shí),車(chē)體1、2、3階模態(tài)頻率均有增加，其中1、2階模態(tài)頻率增加值大于3階模態(tài)頻率增加值；底架厚度增加到81 mm時(shí)，底架前3階模態(tài)頻率反而降低，可見(jiàn)從提高車(chē)體模態(tài)頻率的角度來(lái)看，底架厚度有一個(gè)最佳厚度。

表3　側(cè)墻厚度對(duì)模態(tài)頻率影響

表3表明，側(cè)墻厚度增加10%，其值增加到51 mm時(shí)，1階模態(tài)頻率得到提高，2階模態(tài)頻率保持不變，3階模態(tài)頻率略有降低；當(dāng)側(cè)墻厚度增加20%，其值增加到56 mm時(shí)，各階模態(tài)頻率均降低。

表4表明，車(chē)頂厚度增加10%，其值增加到53 mm時(shí)，1、2階模態(tài)頻率得到增加，3階模態(tài)頻率沒(méi)有變化；車(chē)頂厚度增加20%，其值增加到58 mm時(shí)，1階模態(tài)頻率降低，但高于原始值，2階模態(tài)頻率保持不變，3階模態(tài)頻率略有降低。

表4　車(chē)頂厚度對(duì)模態(tài)頻率影響

表5　車(chē)體高度對(duì)模態(tài)頻率影響

車(chē)體高度是從軌道表面到車(chē)頂最高點(diǎn)的高度，車(chē)體高度增加時(shí)保持其他參數(shù)不變，包括底架厚度、車(chē)頂和側(cè)墻厚度都保持不變。表5表明，隨著車(chē)體高度增加，1階模態(tài)頻率逐漸降低，每100 mm大約降低0.14 Hz；2階模態(tài)頻率逐漸增加，3階模態(tài)頻率基本保持不變。

表6　車(chē)體寬度對(duì)模態(tài)頻率影響

表6表明，隨著車(chē)體寬度的增加，車(chē)體1、2、3階模態(tài)頻率均逐漸降低。

3.3改進(jìn)后車(chē)體模態(tài)分析

以上分析表明，增加車(chē)體高度、減小車(chē)體寬度可以明顯提高車(chē)體一階垂彎模態(tài)頻率，車(chē)體底架厚度增加10%也可以提高車(chē)體一階垂彎模態(tài)頻率，側(cè)墻、車(chē)頂厚度增加對(duì)提高一階垂彎模態(tài)頻率效果一般。基于以上規(guī)律分析，底架厚度增加到74 mm，車(chē)體寬度減小到3 176 mm，車(chē)體高度增加到4 200 mm，此時(shí)車(chē)體質(zhì)量為10.123 t，比原結(jié)構(gòu)增加了0.153 t，但車(chē)體一階垂彎模態(tài)頻率增加到15.61 Hz，明顯的提高了車(chē)體一階垂彎頻率的效果。在修改車(chē)體截面參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)板件厚度優(yōu)化，在保證車(chē)體質(zhì)量沒(méi)有較大增加的基礎(chǔ)上，使車(chē)體第2階模態(tài)既一階垂彎模態(tài)頻率提高到了17 Hz。

4　結(jié)　論

本文建立了某城際動(dòng)車(chē)組鋁合金車(chē)體車(chē)參數(shù)化有限單元模型，計(jì)算了車(chē)體模態(tài)，分析了車(chē)體前3階模態(tài)頻率隨底架厚度、側(cè)墻厚度、車(chē)頂厚度、車(chē)體高度、車(chē)體寬度的變化規(guī)律。分析表明，底架厚度改變對(duì)車(chē)體模態(tài)頻率的影響大于車(chē)體側(cè)墻、車(chē)頂厚度改變的影響，底架厚度有一個(gè)最佳的厚度值使車(chē)體一階垂彎模態(tài)頻率最大；對(duì)于分析的3門(mén)車(chē)體來(lái)說(shuō)，側(cè)墻厚度增加使第3階模態(tài)(一階扭轉(zhuǎn))態(tài)頻率降低，第1階模態(tài)(一階菱形)頻率增加，對(duì)第2階(一階垂彎)模態(tài)頻率影響較小；車(chē)頂厚度增加使第1、2階模態(tài)頻率略為增加，對(duì)第3階模態(tài)頻率影響較小。車(chē)體高度增加，使第2階模態(tài)(一階垂彎)頻率增加明顯，但會(huì)導(dǎo)致1階模態(tài)(一階菱形)頻率降低，對(duì)車(chē)體第3階模態(tài)(一階扭轉(zhuǎn))模態(tài)頻率影響較小；隨著車(chē)體寬度的增加，車(chē)體第1階(一階菱形)、第2階(一階垂彎)、第3階(一階扭轉(zhuǎn))模態(tài)頻率均逐漸降低。通過(guò)計(jì)算分析，合理修改車(chē)體截面結(jié)構(gòu)參數(shù)使車(chē)體第2階模態(tài)(一階垂彎)頻率提高到了 15.61 Hz，在此基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)車(chē)體板殼厚度優(yōu)化使車(chē)體一階垂彎模態(tài)頻率提高到了17 Hz，達(dá)到了預(yù)期效果。

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Modal Frequency Rule with the Section Parameters of EMU Bodywork

JIAShangshuai1,LIMinggao1,ZHANGJun2

(1Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd., Tangshan 063035 Hebei, China;2College of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028 Liaoning, China)

The bodywork modal frequencies have the significant effect on carborne, the modal frequencies of carbody should meet the standard request. A finite element model of EMU bodywork is established, the bodywork modals are calculated, and the change rules of modal frequencies with the bottom thicknesses, the side wall thicknesses, top plate thicknesses, vehicle heights and vehicle widths are analyzed and generalized. Basing on the change rules of modal frequencies, the section parameters are revamped, the modal frequencies of bodywork are increased, the relative standards that the frequency of first order bending mode is satisfied.

EMU； finite element method； bodywork section； modal frequency

1008-7842 (2016) 03-0043-03

??)男，工程師(

2015-12-30)

U266.32

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.09

*中國(guó)鐵道總公司項(xiàng)目資助(2014J004-O)；牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助(TPL1402)