鄭路　周勁松　孫文靜　石晨

摘要： 為分析不同復(fù)合材料高速列車地板減振性能的差異，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，分別采用多層疊混合模型及單層模型計(jì)算復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的等效參數(shù)并驗(yàn)證.建立包含內(nèi)裝地板的高速列車車體有限元模型；基于實(shí)車線路測(cè)試結(jié)果，以車體底架振動(dòng)加速度信號(hào)作為地板瞬態(tài)響應(yīng)激勵(lì)，計(jì)算復(fù)合地板材料結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)振動(dòng)響應(yīng)及振動(dòng)傳遞率，得到不同復(fù)合材料地板的振動(dòng)特性.研究結(jié)果表明：樺木芯材優(yōu)于榿木芯材；外層面板厚度的增加使得地板的減振性能增強(qiáng)，但過(guò)大會(huì)導(dǎo)致減振性能下降；不銹鋼面板比鋁合金面板地板結(jié)構(gòu)固有頻率低且質(zhì)量較大，不利于車體輕量化設(shè)計(jì).

關(guān)鍵詞： 高速列車； 復(fù)合材料地板； 力學(xué)性能測(cè)試； 等效材料特性參數(shù)； 減振

中圖分類號(hào)： U270.11文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Analysis on vibration performance of composite material

floor of highspeed train

ZHENG Lu， ZHOU Jinsong， SUN Wenjing， SHI Chen

（Institute of Railway&Urban Rail Transit， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract： To analyze the vibration reduction performance of different kinds of composite material floors of highspeed train， the mechanical performance tests are performed on the structures， and the equivalent parameters of the composite material floor are calculated using multilayer model and single layer model separately and validated. The finite element model of a highspeed train body which includes inner decoration floor is built； based on the test data of real train on line， the vibration accelerations of train body underframe is considered as the excitations of transient response and the transient vibration response and vibration transfer rate are calculated for the composite material floor structures， and the vibration property of different composite material floors are obtained. The results show that， the core material of birch is better than that of alder； the vibration reduction performance is improved with the increase of outer panel thickness， but it decreases if the panel is too thick； the natural frequency of stainless steel panel floor is lower than that of aluminum alloy panel floor and not conducive to light weight design because of its bigger mass.

Key words： highspeed train； composite material floor； mechanical performance test； equivalent material property parameters； vibration reduction

0引言

隨著我國(guó)高速列車運(yùn)行速度不斷提高，振動(dòng)和噪聲問(wèn)題日益突顯，車體零部件材料和減振結(jié)構(gòu)的選擇十分重要.[1]由于地板是轉(zhuǎn)向架與車體內(nèi)部的接口，乘客與地板直接接觸，地板振動(dòng)劇烈會(huì)顯著降低乘客乘坐的舒適性，因此其結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能研究尤為重要.目前，我國(guó)高速列車內(nèi)裝地板廣泛采用復(fù)合材料[23]，該類型地板質(zhì)量較輕并可在一定程度上增加地板剛度.國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)地板減振措施進(jìn)行一定程度的研究，如：雷曉燕等[4]和王瑞乾等[5]研究的列車鋁型材地板噴涂阻尼材料可顯著提高地板的模態(tài)阻尼比，在不同頻段降低地板的振動(dòng)；張玉萍等[6]設(shè)計(jì)合理剛度的地板減振器，在頻率上避開(kāi)對(duì)乘客舒適度影響較大的局部振動(dòng)頻率段以避免共振；苗新芳[7]提出在高速列車上使用新型的內(nèi)裝材料，中間地板選用復(fù)合材料以起到減振降噪的作用.這些措施均取得一些效果，但均是通過(guò)附加的剛度阻尼材料來(lái)實(shí)現(xiàn)的.

目前，復(fù)合材料在高速列車上應(yīng)用廣泛，但不同的復(fù)合地板材料及結(jié)構(gòu)本身對(duì)列車地板振動(dòng)特性影響及其規(guī)律尚不明確.基于此，本文以國(guó)內(nèi)某型高速列車為研究對(duì)象，針對(duì)16種不同的復(fù)合材料地板結(jié)構(gòu)測(cè)試其力學(xué)特性，依據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行多層材料有限元模型參數(shù)等效并驗(yàn)證，建立包含復(fù)合材料地板特性的完整車體振動(dòng)仿真模型，再以線路實(shí)測(cè)信號(hào)為輸入，利用該模型對(duì)不同地板的振動(dòng)特性進(jìn)行計(jì)算，為今后高速列車復(fù)合地板材料結(jié)構(gòu)選擇提供參考.

1地板結(jié)構(gòu)力學(xué)性能測(cè)試

本文研究的復(fù)合材料地板屬于典型的層合板結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)一般由2層以上的單層板粘合在一起，組成整體的受力結(jié)構(gòu)元件.層合板結(jié)構(gòu)各單層的材料、厚度和彈性主方向可以互不相同，具有各向異性特征.這16種地板分別由不同材料的面板（不銹鋼與鋁合金）、芯材（樺木與榿木）以及橡膠單元以不同的厚度組成，其中一個(gè)樣件見(jiàn)圖1.

為得到內(nèi)裝地板復(fù)合結(jié)構(gòu)材料特性參數(shù)，首先針對(duì)廠商提供的16種復(fù)合地板材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，依據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行有限元建模參數(shù)等效.

對(duì)地板樣件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等試驗(yàn).以三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)為例，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法：GB 1456—2005》，通過(guò)夾層結(jié)構(gòu)長(zhǎng)梁試樣的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)定面板的彎曲強(qiáng)度；通過(guò)夾層結(jié)構(gòu)短梁試樣的三點(diǎn)彎曲測(cè)定芯材的剪切強(qiáng)度；通過(guò)夾層結(jié)構(gòu)短梁試樣的外伸梁三點(diǎn)彎曲測(cè)定彎曲剛度和剪切剛度.試驗(yàn)加載方式及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試見(jiàn)圖2和3.同時(shí)，還進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn).

2復(fù)合材料結(jié)構(gòu)參數(shù)等效

2.1等效參數(shù)計(jì)算

根據(jù)測(cè)試得到復(fù)合材料樣件的各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)，如面板的彎曲強(qiáng)度及彈性模量、各層芯材剪切強(qiáng)度及模量、彎曲剛度和平壓平拉強(qiáng)度等.在有限元模型建立過(guò)程中，需要知道復(fù)合材料的整體密度和彈性模量.其中，復(fù)合地板的整體密度可以通過(guò)質(zhì)量與體積之比求出，但力學(xué)性能測(cè)試中不能直接測(cè)出材料整體的彈性模量，因此需要根據(jù)測(cè)試得到的復(fù)合地板各層不同材料抗彎剛度曲線，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到整體結(jié)構(gòu)的抗彎彈性模量.

為減小誤差，每組材料選取5組樣件，根據(jù)其位移載荷數(shù)據(jù)取平均值，繪制該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的抗彎剛度曲線.考慮到實(shí)際振動(dòng)中地板結(jié)構(gòu)變形較小，處于線性范圍內(nèi)，因而在計(jì)算時(shí)根據(jù)500～3 000 N載荷區(qū)間的抗彎剛度曲線計(jì)算復(fù)合材料樣件的等效彈性模量.結(jié)構(gòu)的位移、載荷及材料特性參數(shù)的關(guān)系為f=Fl348EI （1）式中：f為樣件中點(diǎn)的位移，mm；F為對(duì)應(yīng)位移值的載荷，N；l為結(jié)構(gòu)跨距，mm；E為樣件等效彈性模量，MPa；I為樣件慣性矩，mm4.本試樣形狀為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)600 mm，寬60 mm，高22 mm，其截面慣性矩I=112×60 mm×（22 mm）3=53 240 mm4 （2）將式（2）代入式（1）中，可得樣件的彈性模量為E=Fl348fI=84.52Ff （3）F/f即為抗彎剛度曲線的斜率.

2.2等效模型建立和參數(shù)驗(yàn)證

為保證有限元仿真的準(zhǔn)確性，在復(fù)合材料建模時(shí)廣泛采用混合模型，即將復(fù)合材料分成若干層，每一層材料屬性均為各向異性且可以選擇不同的單元類型，如層單元、殼單元及連續(xù)實(shí)體單元等，在仿真時(shí)可根據(jù)實(shí)際問(wèn)題選擇最佳方案.有限元軟件Abaqus可以較好地模擬復(fù)合材料的固化變形問(wèn)題，且在處理非線性問(wèn)題方面表現(xiàn)出眾，故采用Abaqus進(jìn)行多層混合模型的建模.本文研究的每種復(fù)合材料地板模型均包含3種材料，即鋁合金/不銹鋼、木材、橡膠.由于實(shí)際振動(dòng)中結(jié)構(gòu)變形很小，處于線性范圍內(nèi)，故將鋁合金/不銹鋼和木材簡(jiǎn)化為各向同性的線性材料，橡膠簡(jiǎn)化為超彈性材料，采用MooneyRivian模型進(jìn)行建模.對(duì)照實(shí)際地板結(jié)構(gòu)，采用模型層疊方式，共18層結(jié)構(gòu)，其中第1層和第18層為鋁合金或不銹鋼的外層面板，第14層為橡膠，其余層為紋路方向呈90°的木材（樺木或榿木）.有限元模型中的加載方式與結(jié)構(gòu)力學(xué)性能測(cè)試加載方式一致，見(jiàn)圖4.采用該混合模型還可以得到復(fù)合地板結(jié)構(gòu)的材料特性曲線.為降低建模難度并減少計(jì)算量，對(duì)混合模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化.由于層合板本身屬于板狀結(jié)構(gòu)，因此將其簡(jiǎn)化為與實(shí)際厚度相同的殼單元可以有效降低建模的復(fù)雜程度并提高計(jì)算效率，據(jù)此將地板的層合板結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)化為單層的殼單元模型[8].將計(jì)算得到的多層疊混合模型和單層簡(jiǎn)化模型的等效結(jié)果與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，見(jiàn)圖5.

由圖5可知：試驗(yàn)結(jié)果與2種模型的仿真結(jié)果在線性區(qū)域內(nèi)斜率基本一致，即2種模型得到的復(fù)合地板材料的抗彎剛度一致.在高速列車運(yùn)行過(guò)程中，地板變形位于彈性變形范圍內(nèi)，因此可認(rèn)為該等效參數(shù)合理.綜合考慮模型準(zhǔn)確性與計(jì)算量，選擇在后續(xù)仿真中采用等效后的單層地板模型進(jìn)一步分析計(jì)算.

3車體復(fù)合材料地板振動(dòng)特性分析

3.1車體有限元模型建立

以國(guó)內(nèi)某型高速列車為研究對(duì)象，頭車包括司機(jī)室、觀光區(qū)和車廂3個(gè)部分.根據(jù)車輛三維幾何模型，建立車體有限元模型.為保證計(jì)算精度并提高計(jì)算速度、適當(dāng)減小模型計(jì)算量，在觀光區(qū)車廂建立包含車輛內(nèi)裝的有限元模型，包括頂板、間壁、中頂板和地板4部分，包含地板結(jié)構(gòu)在內(nèi)的觀光區(qū)車體有限元模型見(jiàn)圖6.

針對(duì)觀光區(qū)地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和測(cè)試分析，其他車體部分則采用不包含內(nèi)裝地板的白車身結(jié)構(gòu).在有限元模型中，車體為板狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)殼單元進(jìn)行模擬，以4節(jié)點(diǎn)的殼單元進(jìn)行離散.

將觀光區(qū)車體模型與其他部位車體模型進(jìn)行裝配，組成完整的車體有限元模型.觀光區(qū)內(nèi)裝地板與車體鋁合金結(jié)構(gòu)地板間安裝有橡膠減振元件，此處采用彈簧減振單元進(jìn)行模擬.該區(qū)域中每個(gè)彈簧減振單元的剛度值為200 N/mm，阻尼值為0.02；觀光區(qū)中頂板和墻板與鋁合金車體之間通過(guò)螺栓固結(jié)，此處采用剛性單元與車體連接.完整的高速列車頭車車體有限元模型見(jiàn)圖7，共包含320 928個(gè)節(jié)點(diǎn)和414 222個(gè)單元.

3.2地板振動(dòng)線路測(cè)試結(jié)果

為獲得瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算時(shí)所需的激勵(lì)信號(hào)并與仿真模型對(duì)比，對(duì)高速列車觀光區(qū)進(jìn)行地板振動(dòng)線路測(cè)試，采集空簧上方枕梁、觀光區(qū)地板和車體底架上相應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置處的加速度時(shí)域信號(hào)，統(tǒng)計(jì)各測(cè)點(diǎn)的時(shí)域振動(dòng)響應(yīng)指標(biāo)并通過(guò)頻譜分析其振動(dòng)主頻.采集空簧上方的加速度，作為瞬態(tài)響應(yīng)分析計(jì)算的輸入信號(hào).對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖8.

3.3復(fù)合材料地板振動(dòng)特性計(jì)算

仿真模型中設(shè)定6個(gè)輸出點(diǎn)，各輸出點(diǎn)的位置見(jiàn)圖9.其中，3號(hào)測(cè)點(diǎn)為車體底架，6號(hào)測(cè)點(diǎn)為觀光區(qū)地板.

以測(cè)試得到的350 km/h運(yùn)行時(shí)的車體底架處的振動(dòng)加速度作為激勵(lì)，分別選取表1中不同地板材料的有限元模型等效參數(shù)進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析，地板上方（6號(hào)）測(cè)點(diǎn)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果的時(shí)域指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖10.比較1～16號(hào)的復(fù)合材料地板結(jié)果可知：9～16號(hào)的不銹鋼面板材料地板的振動(dòng)加速度響應(yīng)值比同尺寸的1～8號(hào)鋁材料面板的地板更大；榿木芯材地板的加速度響應(yīng)比同尺寸的樺木地板更大；對(duì)于相同面板材料且相同芯材的地板，隨著面板的厚度的增加，加速度響應(yīng)通常會(huì)增大，面板厚度在0.8 mm左右時(shí)，振動(dòng)加速度響應(yīng)最小.a）有效值統(tǒng)計(jì)b）最大值統(tǒng)計(jì)

為進(jìn)一步觀察地板的振動(dòng)情況，以6號(hào)測(cè)點(diǎn)為例進(jìn)行分析，對(duì)3，5，7，11，13和15號(hào)復(fù)合材料地板仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，見(jiàn)圖11.在頻率低于20 Hz時(shí)，2種面板材料地板的振動(dòng)能量基本相當(dāng)；在頻率為20～35 Hz時(shí)，鋁合金面板地板的振動(dòng)能量明顯小于不銹鋼面板地板；而在頻率為35～55 Hz時(shí)，不銹鋼面板地板的振動(dòng)能量小于鋁合金面板地板.其他測(cè)點(diǎn)位置與測(cè)點(diǎn)6顯示一致的振動(dòng)特性，此處不再描述.

a）面板材料對(duì)比

b）芯材對(duì)比

c）面板厚度對(duì)比

根據(jù)被動(dòng)隔振理論[9]，不銹鋼面板材料由于質(zhì)量較大、固有頻率相對(duì)鋁合金面板材料低，低頻振動(dòng)傳遞率大于鋁合金面板，因而對(duì)列車運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)具有不利影響[10].此外，由圖11可見(jiàn)：對(duì)于相同面板材料的地板，榿木芯材的振動(dòng)能量在45～60 Hz范圍內(nèi)大于樺木芯材，而在低于45 Hz時(shí)兩者基本相同；對(duì)于相同面板相同芯材的地板，隨著面板厚度的增加，振動(dòng)能量先減小后增大，在面板厚度為0.8或1.0 mm時(shí)，振動(dòng)最小.

4結(jié)束語(yǔ)

基于復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行有限元建模材料參數(shù)等效模擬，建立包含地板復(fù)合材料特性的車體仿真模型，依據(jù)線路實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行地板振動(dòng)特性計(jì)算，結(jié)果如下.

（1）利用力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行復(fù)合材料地板的有限元模型等效建模方法合理；以實(shí)車線路測(cè)試的枕梁振動(dòng)信號(hào)作為系統(tǒng)輸入，結(jié)合仿真模型計(jì)算，可以快速有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)不同地板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)性能評(píng)估，相較以往的單一試驗(yàn)方法更靈活便捷.

（2）綜合考慮振動(dòng)加速度的大小以及在不同頻率段的差異，由于不銹鋼面板地板低頻振動(dòng)能量和質(zhì)量均較大，不利于列車運(yùn)行平穩(wěn)性，不利于車體輕量化設(shè)計(jì)，因此鋁合金面板材料更佳；對(duì)于芯材而言，榿木的振動(dòng)加速度明顯大于樺木芯材；隨著面板厚度的增加，地板振動(dòng)能量加大，但厚度過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度不足，從而引起振動(dòng)的加劇，面板厚度在0.8 mm左右能達(dá)到最好的隔振效果.

綜上所述，針對(duì)本文所研究的16種復(fù)合地板材料，減振性能最好的地板樣件編號(hào)為3號(hào)，其材料組成為鋁合金1.5 mm+樺木+鋁合金0.8 mm.參考文獻(xiàn)：

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（編輯武曉英）