竇曉亮

【摘要】結(jié)構(gòu)力學(xué)中模態(tài)分析是研究系統(tǒng)在頻域中動態(tài)特性的一種方法，且廣泛應(yīng)用于汽車、航天航空以及軌道車輛等領(lǐng)域。模態(tài)分析的目的是確定結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)在自由振動過程中的固有頻率及模態(tài)振型。模態(tài)研究目前主要采用試驗?zāi)B(tài)分析和仿真計算模態(tài)分析技術(shù)。將試驗?zāi)B(tài)和計算模態(tài)方法有機結(jié)合起來，做到相互驗證互為補充，能夠大大提高產(chǎn)品研發(fā)以及故障驗證的精度和效率。本文對比分析了軌道車輛地板組合斷面的模態(tài)試驗仿真數(shù)據(jù)，分析了試驗仿真結(jié)果誤差的原因，為以后的軌道車輛的振動模態(tài)研究提供有力的支撐。

【關(guān)鍵詞】模態(tài)試驗 復(fù)合材料 模態(tài)仿真 邊界條件 軌道車輛

軌道車輛在行駛過程中受到很多激勵，如輪軌激勵，氣動載荷激勵等。車輛的動態(tài)特性直接影響其振動舒適性、行駛平穩(wěn)性、安全性及壽命。軌道車輛地板結(jié)構(gòu)是評價車輛舒適性及平穩(wěn)性等指標(biāo)的直接載體，如何能準(zhǔn)確的確定其動態(tài)特性對整車的性能優(yōu)化有重大意義。

試驗?zāi)B(tài)分析和計算模態(tài)分析并非相互獨立，有著各自的優(yōu)勢。計算模態(tài)方法可以節(jié)省大量的試驗投入以及試驗時間，提供研究效率。試驗?zāi)B(tài)方法作為確定系統(tǒng)模態(tài)振型的直接方法，其結(jié)果也可以用于修正計算模型。

試驗?zāi)B(tài)分析的精度受試驗邊界條件（系統(tǒng)的約束剛度）、傳感器選型及安裝方法、外界激勵源的施加方式、試驗人員的水平等因素影響。本文介紹了軌道車輛地板組合斷面模態(tài)試驗過程，結(jié)果分析評價方法，并與計算模態(tài)結(jié)果進行對比驗證，分析了兩者結(jié)果的誤差。

一、地板組合斷面模態(tài)試驗

（一）試驗試件

軌道車輛地板組合斷面（見圖1）主要由客室地板、車體地板及橡膠減振器三部分組成?？褪业匕鍨閺?fù)合材料結(jié)構(gòu)，由地板布、鋁型材、果木板、隔音海綿、橡膠等復(fù)合而成。車體地板為鋁型材結(jié)構(gòu)。

（二）試驗情況簡介

此次試驗分別測試了客室地板和地板組合斷面結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)。模態(tài)測試的采樣頻率為512Hz，分析頻率為256Hz。試驗采用電磁激振器作為激勵源;數(shù)據(jù)采集設(shè)備使用LMS SCADAS III;加速度傳感器選用PCB的T33830。

（三）試驗方法

模態(tài)試驗采用多點激勵多點輸出的試驗方法，使用移動傳感器法對客室地板和地板組合斷面對應(yīng)位置的振動加速度進行了測試。為了避免約束條件對測試結(jié)果的影響，此次試驗使用剛度很小的彈簧繩將試驗件吊掛，模擬結(jié)構(gòu)的自由狀態(tài)。模態(tài)頻率識別使用多項式擬合法。

二、地板組合斷面模態(tài)試驗仿真驗證

（一）仿真模型

圖2為復(fù)合材料客室地板有限元仿真模型見圖2（左），建模采用殼單元（層合板）+體單元+殼單元（層合板）的方式。圖2（右）為地板組合斷面有限元仿真模型，其中橡膠減振器采用1維彈簧單元簡化，車體鋁型材地板使用殼單元。仿真計算模型無額外邊界條件，如此計算出來的模態(tài)頻率振型完全由地板組合斷面本身決定，不其他條件影響。

（二）客室地板模態(tài)試驗仿真驗證分析

計算模型使用ABAOUS求解器和Hyperview后處理軟件?？紤]到車輛舒適度重點考察的頻率范圍以及試驗測點布置數(shù)量，此次模態(tài)頻率振型分析范圍為0Hz-100Hz，表1為試驗?zāi)B(tài)和計算模態(tài)結(jié)果對比。從表中可以看出，模態(tài)試驗仿真結(jié)果的匹配度較好，模態(tài)頻率誤差小于6%。

表2為地板組合斷面試驗?zāi)B(tài)和計算模態(tài)結(jié)果對比。從表中可以看出，在OHz-5OHz范圍內(nèi)模態(tài)試驗仿真結(jié)果的匹配度較好，模態(tài)頻率誤差小于6%。5OHz以上模態(tài)振型匹配度較差。

（四）誤差分析

無論采用試驗?zāi)B(tài)和計算模態(tài)哪種分析技術(shù)，得到的結(jié)果必然與實際系統(tǒng)之間存在著誤差。試驗過程中的任何一個步驟都可能對模態(tài)識別結(jié)果造成影響，例如激勵信號的信噪比，激勵信號的形式，激勵持續(xù)時間，測試邊界條件，傳感器的特性等。仿真計算的誤差首先是建模誤差，如接觸的定義、結(jié)構(gòu)的簡化方式、非線性因素的影響，其次是模型中物理參數(shù)不能完全與實際情況吻合。

三、結(jié)論

本文對比分析了軌道車輛地板組合斷面試驗?zāi)B(tài)和計算模態(tài)的結(jié)果。在低頻區(qū)域50Hz以下，模態(tài)頻率振型的匹配度較高。由于受系統(tǒng)阻尼特性、結(jié)構(gòu)非線性、仿真模型簡化方式等影響，在高階頻率范圍內(nèi)，模態(tài)頻率振型匹配性較差。