王劍,謝素明,馬紀(jì)軍

0 引言

乘坐高速列車的舒適性與車體的振動品質(zhì)有著密切的關(guān)系，尤其是在高鐵飛速發(fā)展的今天，列車運(yùn)行速度越來越快，外部的各種激擾也越來越復(fù)雜. 在列車運(yùn)用的過程中，隨時(shí)都會出現(xiàn)各種振動現(xiàn)象，已有案例顯示，往來于京滬的高速動車在某行駛區(qū)間，車內(nèi)部件、車體均出現(xiàn)嚴(yán)重的振顫現(xiàn)象，造成乘客強(qiáng)烈的不舒適感.

如何更好的獲取車體結(jié)構(gòu)的振動品質(zhì)信息，以提高乘客乘坐的舒適性，不少學(xué)者做了大量工作，于金朋[1]以地板、側(cè)究了車體結(jié)構(gòu)各部件主要尺寸的厚度變化對車體墻、車頂板材厚度為參數(shù)，研模態(tài)特性的影響. 余建勇[2]簡化車體模型為鐵摩辛柯梁，理論推導(dǎo)了車下吊裝結(jié)構(gòu)質(zhì)量和位置等參數(shù)對車體模態(tài)的影響. 陽光武[3]以梁為簡化模型基礎(chǔ)，分析了車下吊裝設(shè)備振動頻率、吊裝位置、質(zhì)量等參數(shù)對車體振動頻率的影響. Calvo[4- 6]等人以簡單結(jié)構(gòu)的振動理論出發(fā)，分析了影響車體振動的不同因素，通過實(shí)例給出了一些優(yōu)化建議. 任尊松[7- 8]等人采用數(shù)值仿真分析手段，對影響車體振動模態(tài)的不同因素分別進(jìn)行計(jì)算和對比，根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了若干振動控制方法. Nielsen[9- 10]等人采用仿真分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證仿真模型，進(jìn)而對車體振動品質(zhì)進(jìn)行分析. 參考上述研究工作結(jié)果，本文以某高速動車組車體為研究對象，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)修正有限元模型，研究了車下吊裝設(shè)備與車體間連接剛度、吊點(diǎn)數(shù)量以及吊裝結(jié)構(gòu)建模方式對車體一階垂彎振動模態(tài)的影響.

1 整備狀態(tài)車體模態(tài)分析

以某高速動車組車體為研究目標(biāo)，車體全長為24.2 m，車寬3.3 m，車輛定距17.4 m. 車體為鋁合金材質(zhì)，車體底架、側(cè)墻、端墻、車頂以EN AW- 6005A型材焊接而成，底架牽枕部位以EN AW- 6082板材焊接為主.高速動車組車體主要承載的鋁結(jié)構(gòu)質(zhì)量為10.8 t，整備質(zhì)量為35.2 t，除承載結(jié)構(gòu)質(zhì)量為，主要包括塞拉門、車窗、各種隔熱板材、地板、車體布線以及座椅、衛(wèi)生間等內(nèi)裝和車內(nèi)、車下各種吊裝設(shè)備.

基于上述車體建立有限元模型，這里，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于相同的車體鋁結(jié)構(gòu)(質(zhì)量同為10.810 t)，建立了兩個(gè)模型. 區(qū)別在于，第一個(gè)模型在鋁結(jié)構(gòu)質(zhì)量基礎(chǔ)上，車上布置空調(diào)機(jī)組，車下布置各種車下吊裝，吊裝設(shè)備總質(zhì)量為6.625 t，分布于實(shí)際重心位置，以剛性元連接于車體結(jié)構(gòu)，其余整備質(zhì)量(17.765 t)全部質(zhì)量元形式平鋪于底架地板之上. 第二個(gè)模型在鋁結(jié)構(gòu)質(zhì)量基礎(chǔ)上，車上車下吊裝設(shè)備以質(zhì)量元形式分布于各個(gè)設(shè)備實(shí)際重心位置處. 此外，考慮車上所有質(zhì)量大于80 kg的結(jié)構(gòu)，在質(zhì)心處建立質(zhì)量元，以柔性元形式連接于車體，包括車內(nèi)各種座椅、各種門、窗、衛(wèi)生間、行李架、間壁與組柜等整備質(zhì)量. 車下吊裝結(jié)構(gòu)與車體連接位置添加三向彈簧單元，模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中的減振橡膠元件，車下吊裝設(shè)備質(zhì)量及與其連接的減振橡膠參數(shù)如表 1所示. 所建第一個(gè)有限元模型單元總數(shù)為1 298 113，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 058 125，第二個(gè)有限元模型單元總數(shù)為1 299 842，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 059 734，計(jì)算所用有限元模型見圖 1.

表1 車下吊裝設(shè)備及減振橡膠參數(shù)

(a) 車頂局部視圖(b) 底架局部視圖

圖1車體有限元模型

按上述有限元模型對動車組車體進(jìn)行模態(tài)分析，得到前30階車體振動頻率，從中提取垂向彎曲振型，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比結(jié)果見表2. 與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，第一個(gè)模型中只有一階垂彎模態(tài)可與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對比，誤差在8.1%，而第二個(gè)模型計(jì)算結(jié)果中，有底架局部彎曲、一階垂彎、一階扭轉(zhuǎn)均可與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對應(yīng)，底架局部垂彎振動頻率與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，誤差為14.5%，底架一階垂彎振動頻率與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，誤差為3.6%，車體整體的一階扭轉(zhuǎn)振動頻率與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，誤差為0.8%.

表2 車體模態(tài)仿真分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比 Hz

分析誤差出現(xiàn)的原因，模型1中沒有充分考慮質(zhì)量分布對車體垂向彎曲振動模態(tài)的影響. 更重要的是，車下吊裝設(shè)備在模型1中是直接通過剛性元與車體相連接的，這在無形中增強(qiáng)了車體底架抵抗垂向彎曲的能力，因此計(jì)算出的底架一階垂向彎曲振動頻率相對偏高，而且濾掉了車體底架的局部垂向彎曲振動. 而模型2中對質(zhì)量分布進(jìn)行了細(xì)化，而且彈性橡膠的出現(xiàn)大大緩解底架的剛性，能較真實(shí)反應(yīng)車體實(shí)際振動情況，如圖2所示.

(a) 底架局部垂彎

(b) 車體一階垂彎

(c) 車體一階扭轉(zhuǎn)

2 車下設(shè)備減振橡膠參數(shù)的影響

在上述有限元模型基礎(chǔ)上，經(jīng)過反復(fù)計(jì)算對比，發(fā)現(xiàn)車下吊裝設(shè)備彈性橡膠的彈性剛度對車體底架垂向彎曲振動有較大影響.

修改上述有限元模型中關(guān)于車下吊裝設(shè)備減振橡膠的彈性參數(shù)，分別將減振橡膠三向剛度設(shè)置為原始值的2倍、3倍、5倍、9倍，以及彈簧剛度為1E6時(shí)車體的振動模態(tài)情況. 其他參數(shù)不變，計(jì)算車體模態(tài)，并提取相近的底架垂向彎曲模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，表 3列出了不同連接剛度時(shí)車體垂向振動頻率值，圖 3為車下吊裝設(shè)備的連接橡膠剛度與車體底架垂向振動的關(guān)系曲線. 計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，車下吊裝結(jié)構(gòu)連接橡膠剛度對車體底架垂向彎曲振動模態(tài)影響較大，總體來說，隨著吊點(diǎn)剛度的增加，垂向振動頻率數(shù)值也逐漸增加. 從理論上分析，車體和車下吊裝相對于連接橡膠來說，剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橡膠，如果簡單的使用剛性單元連接車體與車下設(shè)備，顯然是增大了車體整體剛度，其固有頻率計(jì)算值會大幅提升. 在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，可以依據(jù)實(shí)際情況，選用合適的橡膠剛度，以提高乘坐舒適性.

表3 減振橡膠剛度對底架垂彎模態(tài)的影響 Hz

圖3 不同減振橡膠剛度參數(shù)與底架垂彎振動頻率曲線

3 車下設(shè)備吊點(diǎn)數(shù)量的影響

在建模過程中，考慮到車下吊裝設(shè)備與車體連接位置吊點(diǎn)數(shù)量增加會相對提高車體底架剛度，因此，修正車體整體有限元模型，在原模型基礎(chǔ)上，車下最重設(shè)備(牽引變流器3 565 kg)的連接方式進(jìn)行修正，將吊點(diǎn)個(gè)數(shù)分別設(shè)置為為4個(gè)、6個(gè)、12個(gè)，分別計(jì)算車體模態(tài)，提取底架垂向彎曲振動模態(tài)，分析車下吊裝設(shè)備吊點(diǎn)數(shù)量對車體模態(tài)的影響，牽引變流器的吊點(diǎn)個(gè)數(shù)變化有限元建模如圖 4所示.

(a) 4個(gè)吊點(diǎn) (b) 6個(gè)吊點(diǎn)(c) 12個(gè)吊點(diǎn)

圖4牽引變流器吊點(diǎn)數(shù)量變化

依據(jù)上述有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，由結(jié)果提取底架垂彎振動模態(tài)數(shù)據(jù)，使用四個(gè)吊點(diǎn)時(shí)候，車體一階垂向振動頻率為11.528 3 Hz，使用六個(gè)吊點(diǎn)時(shí)，車體一階垂向振動頻率為11.538 9 Hz，使用十二個(gè)吊點(diǎn)時(shí)，車體一階垂向振動頻率為11.578 2. 對比其他近似振型，總體上來說，依照上述吊點(diǎn)修改方案，車體近似振型的振動頻率會有小幅上升，但振動頻率變化幅度不大.

4 車下設(shè)備建模方式的影響

為考察車下吊裝建模方式對車體底架垂向彎曲振動頻率的影響，針對車下最重設(shè)備牽引變流器再進(jìn)行精細(xì)化建模，在模型中將設(shè)備艙，包括裙板及設(shè)備框架按原始結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，車下吊裝框架結(jié)構(gòu)材質(zhì)為不銹鋼型材，型材間為焊接或螺栓連接，框架結(jié)構(gòu)通過螺栓、減振橡膠、鋁吊座與車體底架連接，框架周邊包覆鋁材質(zhì)裙板. 模型中保證設(shè)備總重量為3 565 kg，質(zhì)量中心為設(shè)計(jì)重心. 帶裙板結(jié)構(gòu)的車體整體模型單元總數(shù)為1 598 949，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 360 143. 設(shè)備艙有限元模型如圖5所示.

(a) 視圖1

(b) 視圖2

按上述有限元模型對車體進(jìn)行有限元模態(tài)分析，提取底架相關(guān)垂向彎曲振動模態(tài)數(shù)據(jù)，得到底架垂向彎曲振動頻率，其中底架局部垂向彎曲振動頻率7.183 8、9.153 3 Hz，一階垂向彎曲振動頻率為11.532 3 Hz. 對比原結(jié)構(gòu)中三個(gè)近似振型的振動頻率7.18、10.49、11.53 Hz，整車模型中添加設(shè)備艙詳細(xì)結(jié)構(gòu)后，車體底架一階垂彎、車體一階垂彎振動頻率變化基本不大，而車體第二階局部垂彎頻率與試驗(yàn)頻率9.16 Hz符合良好，而與原計(jì)算結(jié)果大約有15%的誤差. 分析此結(jié)果原因，局部垂彎振動出現(xiàn)的位置大致正好與設(shè)備位置重合，局部精細(xì)化建模很可能會對局部振動產(chǎn)生影響，但對整體振型影響不大.

5 結(jié)論

本文依據(jù)實(shí)際高速動車組車體案例，從不同角度分析了車下吊裝設(shè)備若干參數(shù)對車體底架垂向彎曲振動模態(tài)的影響.

(1)實(shí)例顯示，建模過程中充分考慮車體剛度分布、質(zhì)量分布，計(jì)算結(jié)果更能接近試驗(yàn)數(shù)據(jù). 車下吊裝設(shè)備減振橡膠剛度對車體振動性能有較大影響，隨著減振橡膠彈性剛度的增加，車體底架各個(gè)垂向彎曲振動頻率數(shù)值會逐漸增加；

(2)車下吊裝設(shè)備吊點(diǎn)數(shù)量在變化不大的情況下，對車體局部、整體模態(tài)的影響較?。?/p>

(3)車下吊裝設(shè)備艙的精細(xì)建模會對車體底架的局部垂彎振動模態(tài)產(chǎn)生影響，但對整車垂向彎曲振動頻率影響不大.

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