林松，孫明道，朱建華

（中車青島四方機車車輛股份有限公司技術(shù)中心，山東 青島 266111）

隨著高速列車速度的不斷提升，振動噪聲問題日益嚴峻。列車不僅需要具備足夠的靜剛度來維持承載能力，還更應(yīng)具有合理的動態(tài)特性以抑制車體的振動噪聲。由于列車運行過程中車體結(jié)構(gòu)所受激勵具有明顯的隨機性，產(chǎn)生的振動噪聲也具有明顯的隨機性。因此，研究高速列車車體的隨機振動響應(yīng)特性，對于控制列車振動噪聲具有重要的意義。

在結(jié)構(gòu)隨機振動噪聲問題的研究中,劉寶山等基于有限元法、邊界元法和虛擬激勵法，研究了結(jié)構(gòu)隨機振動聲輻射靈敏度及優(yōu)化設(shè)計問題，該方法計算精度與傳統(tǒng)方法等價，且計算效率高；Zhao等在虛擬激勵法基礎(chǔ)上采用新的算法計算了結(jié)構(gòu)隨機激勵下的振動問題，其在計算效率上與虛擬激勵法相比具有絕對的優(yōu)勢；Mehran等利用ABAQUS軟件對軌道車輛車廂進行了隨機振動仿真分析。

綜上，目前已對列車在確定激勵下的振動和噪聲問題開展了一系列的研究，但多數(shù)局限于有限元仿真研究，對實車隨機振動的試驗驗證研究較少。本文以實車結(jié)構(gòu)為研究對象，通過模型簡化和車體網(wǎng)格細化分析，建立有限元模型與實際試驗結(jié)果不斷修正對比，形成了適合高速列車實際應(yīng)用的有效模型和研究方法。

1 車體有限元建模及試驗驗證

1.1 車體有限元建模

模型簡化。選取高速列車端部實車結(jié)構(gòu)為研究對象，試驗車體長度為7m，車體兩端均帶外端，車體重量約為3.2噸，所用材料為鋁合金，材料參數(shù)如表1所示。

表1 試驗車體材料參數(shù)

對軌道車輛而言，車體結(jié)構(gòu)整體以薄板結(jié)構(gòu)為主。考慮到車體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及車體型材特點，在盡量保持結(jié)構(gòu)不變的條件下，為提高有限元建模效率和縮短仿真計算時間，將車體簡化為殼單元進行建模，同時刪除過渡圓角等對結(jié)構(gòu)性能影響較小的工藝結(jié)構(gòu)，其中，車體蒙皮取外表面，筋板取中性面，簡化前后的三維幾何模型如圖1所示。

圖1 車頂及側(cè)墻結(jié)構(gòu)簡化

1.2 車體網(wǎng)格細化分析

車體幾何尺寸和材料參數(shù)見表2。

表2 幾何尺寸和材料參數(shù)

當(dāng)計算頻率為500Hz，板厚度為1.8～12mm時，根據(jù)表2各參數(shù)，可得單元邊長的大致范圍為Δ≤0.0472～0.1218m，即47.2～121.8mm之間。整體選取幾組不同網(wǎng)格單元長度分別計算，即選取不同的單元尺寸對車體進行全局網(wǎng)格劃分，然后計算車體隨機響應(yīng)，并得到振動加速度響應(yīng)的均方根值，如表3所示。

表3 振動加速度響應(yīng)與有限元網(wǎng)格劃分細化程度對比關(guān)系

從表3可以看出，網(wǎng)格越密，加速度響應(yīng)數(shù)值越趨于穩(wěn)定。由于車體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，模態(tài)較為密集，不易找到模態(tài)突變數(shù)。當(dāng)網(wǎng)格單元長度為60mm時，模態(tài)數(shù)和加速度均方根值均趨于穩(wěn)定，因此，在后續(xù)進行隨機振動響應(yīng)分析時，采用全局網(wǎng)格單元長度為60mm車體有限元模型。如圖2所示。

圖2 試驗車體有限元模型

1.3 車體計算模態(tài)及試驗?zāi)B(tài)分析

由于仿真計算建模過程中進行了若干簡化，需通過模態(tài)試驗校驗仿真模型的準(zhǔn)確性。模態(tài)試驗中，試驗車體采用彈性支撐，測試在近似自由狀態(tài)下的模態(tài)參數(shù)；然后，通過電磁激振器產(chǎn)生激勵信號，并由動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集信號；最后，進行車體模態(tài)分析。試驗車體模態(tài)測試測點布置如圖3所示。計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比見表4。

圖3 試驗車體彈性支撐

表4 計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

從表4中可以看出，模態(tài)的計算結(jié)果與試驗結(jié)果最大誤差為5.7%，振型基本一致，仿真計算的準(zhǔn)確度較高，可替代實車結(jié)構(gòu)用于隨機振動分析。

2 車體隨機振動預(yù)測與分析

為保證車體隨機振動噪聲預(yù)測模型能夠較為準(zhǔn)確地替代實車結(jié)構(gòu)，采用東菱ES-10-240電動振動臺采集車體隨機振動和噪聲信號，進行振動和噪聲試驗。在進行隨機振動試驗前，先進行關(guān)心頻段內(nèi)的預(yù)試驗，了解系統(tǒng)的振動特性。根據(jù)車體振動試驗的激勵位置，在仿真模型的轉(zhuǎn)向架位置施加隨機基礎(chǔ)激勵（頻率范圍20～200Hz，步長1Hz），隨機振動控制曲線均在3dB控制容差限以內(nèi)。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比見圖4。

如圖4，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果主要峰值頻率基本一致，但在幅值以及次要峰值頻率上存在一定的區(qū)別，與試驗測試誤差、仿真模型簡化以及模態(tài)阻尼參數(shù)的設(shè)置等存在較大的關(guān)系。

圖4 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比-加速度功率譜密度曲線

3 結(jié)語

（1）通過模態(tài)試驗和仿真對比，表明試驗車體有限元模型具有較高的精度；（2）對試驗車體進行隨機振動預(yù)測與試驗分析，可知車體振動能量主要集中在60～110Hz的頻率范圍內(nèi)，合理控制該頻段內(nèi)的振動能量，在一定程度上能起到減振降噪的目的；（3）選取點的振動加速度功率譜密度幅值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果主峰值頻率基本一致，但在幅值以及次要峰值頻率上存在一定的區(qū)別，主要與試驗測試誤差、仿真模型簡化以及模態(tài)阻尼參數(shù)的設(shè)置等有關(guān)；（4）對車體隨機振動噪聲問題的研究，能夠在設(shè)計早期對車輛的振動噪聲特性進行評估，減少減振降噪對策滯后的問題。