跨座式單軌車輛車體結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析

彭飛

摘 要：以跨座式單軌車輛為研究對象，針對跨座式單軌車輛車體由于軌道不平順激勵引起的車體壁板振動問題，建立了跨座式車輛車體結(jié)構(gòu)有限元模型，進(jìn)行了動力學(xué)仿真，求出轉(zhuǎn)向架上空氣彈簧傳遞給車體的不平順簡諧激勵載荷。并將該不平順簡諧激勵施加于車體的有限元模型，繼而通過諧響應(yīng)方法對其進(jìn)行分析，得到車體壁板件單元的振動響應(yīng)情況以及有限元單元的各個節(jié)點(diǎn)的位移。該結(jié)果可作為邊界條件約束聲學(xué)邊界元模型分析車內(nèi)壁板板塊貢獻(xiàn)度及車內(nèi)低頻結(jié)構(gòu)噪聲的情況等。

關(guān)鍵詞：跨座式單軌；隨機(jī)不平順；諧響應(yīng)分析

跨座式單軌運(yùn)行過程中，受到來自軌道的不平順激勵作用。在該激勵作用下，車體壁板會受到來自轉(zhuǎn)向架的動載荷作用產(chǎn)生振動，從而造成車內(nèi)低頻結(jié)構(gòu)噪聲，影響車輛的運(yùn)行品質(zhì)及乘客乘坐的舒適性。文章研究對象為跨座式單軌車輛，通過構(gòu)建整個單軌車系統(tǒng)仿真模型與仿真分析進(jìn)行對車輛不平順簡諧激勵載荷求解計(jì)算，將軌道隨機(jī)不平順作為外部激勵輸入，求解轉(zhuǎn)向架傳遞給車體的激勵載荷。再建立車體有限元模型，將之前所求的不平順簡諧激勵施加于有限元模型，用諧響應(yīng)分析方法求出該激勵下車體壁板件單元的振動響應(yīng)情況以及有限元單元的各個節(jié)點(diǎn)的位移，便可為接下來車內(nèi)低頻噪聲和不同位置板塊貢獻(xiàn)度的計(jì)算與預(yù)測提供依據(jù)。

1 跨座式單軌車輛動力學(xué)模型的建立

首先利用多體系統(tǒng)動力學(xué)軟件Simpack建立車軌耦合動力學(xué)仿真模型，建模過程中，簡化部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)，構(gòu)建結(jié)構(gòu)之間力元及mark點(diǎn)，進(jìn)行整個車輛系統(tǒng)多體動力學(xué)仿真。對于跨座式車輛系統(tǒng)，車體通過前后兩組轉(zhuǎn)向架的四個空氣彈簧支撐在轉(zhuǎn)向架上，同時轉(zhuǎn)向架上的橫向減震器、牽引橡膠堆等組成的中央懸掛裝置與車廂連接，在這些彈性阻尼原件的作用下幫助車體減小、緩和運(yùn)行中的振動。

建立出的單軌車動力學(xué)模型及行駛軌道模型如圖1所示。

2 單軌車輛車體所受激勵載荷求解

利用Simpack軟件進(jìn)行動力學(xué)分析，車輛運(yùn)行的路面條件為德國高干擾譜激擾線路面，運(yùn)行速度為直線道路上的極限速度72km/h。可得到車體與空氣彈簧連接位置（即四個前后兩組轉(zhuǎn)向架四個支撐點(diǎn)位置）在縱向、橫向、垂向三個方向所受到的來自軌道不平順激勵下的動載荷。并將仿真得到的載荷時域譜快速傅立葉變換，描繪出四個支撐點(diǎn)處載荷頻域譜。圖2為某一支撐點(diǎn)的載荷頻域譜。其余三個支撐點(diǎn)載荷幅值的波形特征大小基本一致。

由圖2看出，不論在哪個方向上，載荷幅值最大處均在0～5Hz的低頻區(qū)域內(nèi)。且垂直方向上受到的激勵載荷最大，這與實(shí)際情況一致，載荷幅值的峰值也可以得到驗(yàn)證。而縱向的載荷幅值小于橫向是因?yàn)樾旭傔^程中受到的慣性力矩作用。除此之外，支撐點(diǎn)在三個方向上的載荷相位并不相同，而載荷相位是決定車輛的振動規(guī)律的重要參數(shù)之一。

3 車體諧響應(yīng)分析

在ANSYS軟件中，將動力學(xué)仿真計(jì)算出的載荷譜幅值和相位導(dǎo)入車體結(jié)構(gòu)有限元模型中，施加位置同樣為前后兩組轉(zhuǎn)向架四個空氣彈簧對應(yīng)支撐車體位置，進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析，即可計(jì)算出在軌道隨機(jī)不平順激勵下車體結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)特性。

在頻率0-200Hz范圍內(nèi)，取步長10Hz，下面僅挑選幾個特殊的頻率下的車體變形特征，并將節(jié)點(diǎn)位移明顯部分反應(yīng)出來，列于圖3所示圖形。

可看出當(dāng)頻率為50Hz時、兩邊底部中墻與端墻位置節(jié)點(diǎn)位移較大，有向外的扭轉(zhuǎn)拉伸形變，90Hz時整個車廂體的車頂與側(cè)墻節(jié)點(diǎn)位移較大，整車扭轉(zhuǎn)變形，160Hz時車頂部節(jié)點(diǎn)位移最大，明顯向下凹陷變形。

得到車體穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的結(jié)果，可用于查看車身結(jié)構(gòu)變形以及計(jì)算表面振速。通過振動幅值響應(yīng)分布，可以得到以下結(jié)論：受到簡諧激載下，低頻時車體底部的端墻與側(cè)墻連接部分的振動響應(yīng)變形比較大，其余部變形較小并不明顯。因此在今后對跨座式車輛車廂優(yōu)化過程中應(yīng)該優(yōu)先考慮車體底部的端墻與側(cè)墻連接處受載部位的剛度值。

4 結(jié)束語

跨座式單軌車輛運(yùn)行過程中，影響車體結(jié)構(gòu)振動的因素很多，輪軌之間相互作用的激勵通過轉(zhuǎn)向架傳遞到車體底部。因此在Simpack軟件中建立車軌耦合動力學(xué)模型進(jìn)行動力學(xué)計(jì)算，獲得支撐點(diǎn)處受到的軌道隨機(jī)不平順激勵載荷幅值和相位。接著在ANSYS軟件中的車體有限元模型上施加不平順簡諧激勵載荷，進(jìn)行諧響應(yīng)振動分析，得到了車體壁板件振動響應(yīng)特性。

處理分析過程動力學(xué)軟件與有限元軟件聯(lián)合使用，有效地降低了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集過程，得到的結(jié)果明確清晰，車體板塊以不同顏色標(biāo)注顯示，便于觀察車體的振動特性，為車體設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，同時也為車內(nèi)聲場及板塊貢獻(xiàn)度等提供計(jì)算依據(jù)。

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