張 盈，繆炳榮，梅 翔，李 偉，朱少成

（西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031）

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，軌道車輛車體結(jié)構(gòu)的輕量化和抗疲勞性能的設(shè)計(jì)要求越來越高［1-2］。但是進(jìn)行整車結(jié)構(gòu)線路動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)和振動(dòng)測(cè)試費(fèi)用非常高昂，而利用比例車體可以更好地研究車體結(jié)構(gòu)的不同截面尺寸以及不同質(zhì)量、材質(zhì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等設(shè)計(jì)參數(shù)下的車輛減振特性。M.Kozek，C.Bilik等［3］采用 MATLAB／Simulink工具對(duì)1∶10地鐵車體結(jié)構(gòu)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(duì)大型鐵路車輛的彎曲振動(dòng)進(jìn)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(duì)車輛的三維彈性振動(dòng)問題進(jìn)行分析，進(jìn)而提出減少?gòu)椥哉駝?dòng)的方法。國(guó)外對(duì)于比例車體的研究主要是針對(duì)舒適度進(jìn)行的，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，試驗(yàn)方式單一。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了一種新的比例車體試驗(yàn)臺(tái)。可以采用錘擊法或激振器法進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)。通過激振器法（或錘擊法）測(cè)得比例車體結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析后得到比例車體的模態(tài)參數(shù)及結(jié)構(gòu)振型，然后對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)，且可以在試驗(yàn)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上研究結(jié)構(gòu)輕量化和尺寸優(yōu)化所帶來的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的等效問題。限于篇幅，本文主要針對(duì)比例車體試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

1 試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)臺(tái)的功能用途

利用該試驗(yàn)臺(tái)可以根據(jù)線性和非線性振動(dòng)理論，通過結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)研究車體激勵(lì)、系統(tǒng)和響應(yīng)三者之間的關(guān)系，并在模態(tài)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)比例車體的共振頻率、阻尼、振型等進(jìn)行進(jìn)一步分析。該結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)是利用專業(yè)振動(dòng)分析軟件（So Analyser）進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理分析，并得到比例車體結(jié)構(gòu)的頻率、振型和阻尼等［6］模態(tài)參數(shù)。通過這些模態(tài)參數(shù)可對(duì)比例車體進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能評(píng)估。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)代結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試?yán)碚摚梢栽敿?xì)研究車體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性和車體抗疲勞特性之間的關(guān)系和作用機(jī)理。而且在物理參數(shù)模型的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步進(jìn)行載荷識(shí)別和靈敏度分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的參數(shù)識(shí)別和優(yōu)化。另外，根據(jù)試驗(yàn)獲得的動(dòng)態(tài)特性和結(jié)果，可以對(duì)車體結(jié)構(gòu)比例縮小后的剛度和阻尼進(jìn)行等效性研究。在等效性研究的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步研究車體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞性和結(jié)構(gòu)的載荷作用。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

試驗(yàn)系統(tǒng)由振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、比例車體、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、激振器、傳感器、信號(hào)線以及信號(hào)采集系統(tǒng)和分析軟件等組成，如圖1所示。根據(jù)文獻(xiàn)［7］中關(guān)于模態(tài)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的布置原則，即測(cè)點(diǎn)的數(shù)目取決于所選的頻率范圍、期望的模態(tài)數(shù)以及所關(guān)心結(jié)構(gòu)的區(qū)域；為減少漏掉模態(tài)的機(jī)會(huì)，測(cè)點(diǎn)均勻分布較好。由于主要研究該比例車體的前三階模態(tài)，因此在比例車體上選取7個(gè)截面進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，如圖1所示。

圖1 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)模態(tài)試驗(yàn)的系統(tǒng)組成

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行比例車體試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)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(dòng)試驗(yàn)臺(tái)組成。比例車體的懸掛是靠與吊架相連接的軟彈簧來實(shí)現(xiàn)的。該試驗(yàn)臺(tái)長(zhǎng)約4 000mm，寬約1 040mm，高約2 000 mm。

圖2 1∶8比例車體振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

下面介紹比例車體試驗(yàn)臺(tái)各部分的功能和作用。（1）端部吊架可以方便的調(diào)節(jié)比例車體的高度，實(shí)現(xiàn)了水平結(jié)構(gòu)的微調(diào)和激振器的安全連接；

（2）中間吊架可以實(shí)現(xiàn)雙向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)比例車體的第2種吊掛支撐方式，實(shí)現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)模態(tài)的試驗(yàn)和分析，并且可以通過中間吊架的移動(dòng)來調(diào)節(jié)支撐點(diǎn)位置；

（3）安裝的多個(gè)激振器，可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)、多點(diǎn)激勵(lì)的模態(tài)試驗(yàn)和分析。

2.1 端部吊架

端部吊架是由底座、絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、豎架、方管懸臂梁、吊環(huán)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(dòng)機(jī)構(gòu)通過滑塊與方管懸臂梁聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)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(shí)際動(dòng)車組的車體材料，其質(zhì)量大約40～50kg左右，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB／T 6728，選擇40mm×40mm×4mm Q235方管，其質(zhì)量為4.68kg／m。在實(shí)際使用當(dāng)中，為了靈活應(yīng)用，我們可以在懸臂梁上按一定的間隔開幾個(gè)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(duì)模態(tài)測(cè)量結(jié)果的影響，將支撐點(diǎn)選在比例車體結(jié)構(gòu)所關(guān)注的節(jié)點(diǎn)附近，并使結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)處于或接近于盡可能多的模態(tài)節(jié)點(diǎn)上，將比例車體的自由支撐體系與所關(guān)注的模態(tài)主振動(dòng)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(jié)構(gòu)，通過焊接實(shí)現(xiàn)各部件之間的連接。頂部槽鋼和側(cè)面等邊角鋼上的孔是為了便于布置信號(hào)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(gè)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(yàn)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際測(cè)試位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，這給試驗(yàn)帶來了可操作的靈活性。同時(shí)，這樣可以使試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)快速、高效的拆卸，并且試驗(yàn)臺(tái)的每個(gè)部分都可以由一個(gè)人來完成。

底架由槽鋼、等邊角鋼、保護(hù)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(qiáng)度和剛度。為了防止試驗(yàn)操作人員在試驗(yàn)時(shí)受到傷害，在底架兩端添加4個(gè)保護(hù)板。

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

多目標(biāo)比例車體振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，在實(shí)際應(yīng)用過程中，實(shí)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(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，只對(duì)吊架關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度分析。

3.1 力學(xué)模型

如圖2所示，比例車體在一階振型節(jié)點(diǎn)位置上橫放兩根打孔的鋼棍，這兩根鋼棍的4個(gè)端點(diǎn)由4根彈簧拉向方管懸臂梁。根據(jù)車體吊掛方式，建立如圖5所示的力學(xué)模型。

假設(shè)比例車體處于理想狀態(tài)，α1=α2=α3=α4=α，且F1=F2=F3=F4=F，根據(jù)設(shè)計(jì)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的幾何關(guān)系，可以得到α的范圍是［33°，78°］，建立如下力學(xué)平衡方程：

根據(jù)文獻(xiàn)［9］中提出的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，車體加速度為0.2g。由于實(shí)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(jì)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(biāo)比例車體振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)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(jìn)行分析時(shí)，只針對(duì)吊架進(jìn)行分析。同時(shí)，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，對(duì)端部吊架模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。在建模完成后，分別對(duì)端部吊架和中間吊架進(jìn)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(yīng)力為76.553MPa，最大位移0.293×10-8m；中間吊架最大應(yīng)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(qiáng)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(jié)論與展望

本文針對(duì)多目標(biāo)比例車體振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行詳細(xì)的有限元分析，說明該試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是可以滿足試驗(yàn)分析需要的。論文的后續(xù)工作主要集中在比例車體結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析，以及結(jié)構(gòu)等效性和抗疲勞特性等研究。

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