高速列车车体结构振动特性分析

　　摘要：

　　为验证某高速列车车下吊挂系统模态与车体模态的匹配关系，以及不同轮轨载荷下振动热点区域的幅频响应特性，用HyperMesh建立车体有限元模型，利用Radioss对模型进行模态、频率响应和谐响应分析，得到整车模态参数和车体各测点的响应变化曲线.结果表明，吊挂设备采用弹性悬挂可大幅增加整备状态下垂向弯曲频率；该车空调平顶处局部刚度大幅下降，吊挂设备的垂向激励频率应该避开24Hz及其倍频；吊挂设备不宜直接吊挂在地板上.

　　关键词：

　　高速列车；吊挂系统；动态响应；模态；频率响应；谐响应

　　中图分类号：U271.91；U270.33

　　文献标志码：B

　　0引言

　　列车运行中的振动是轨道不平顺、车辆自身结构特点和缺陷以及运营中的加、减速，风力和空气动力等因素共同作用的必然结果，尤其当列车运行速度超过200km/h时运行阻力急剧增加、车辆振动及轮轨间动作用力加剧、脱轨倾覆危险性增大.如何确保车辆在各运行工况下运行平稳性不随运行速度的提高而恶化，一直是机车车辆动力学研究的热点之一.[12]旅客乘坐环境由轨道车辆车体直接提供，外界的振动也最终传至车体并经由内装施加在乘客身上，影响乘客乘坐舒适性，因此除合理设计悬挂外，车体本身也应具有良好的振动性能，以避免结构振动剧烈导致振动噪声，甚至造成某些部件疲劳破坏，危及高速列车行车安全.

　　随着大型通用计算机软件的发展，设计人员更多地应用其快速、精确的特性进行车体设计和改进，缩短研制周期.本文对某型城际高速列车车体结构进行动力响应分析，分析车体模态影响因素并进行谐响应分析，研究结果将有助于确保车体承载结构、车体局部结构及其各子系统的模态频率不与吊挂设计设备及悬挂激励频率接近[3]，满足模态匹配策略[45].

　　将建立的三维模型导入到HyperMesh中进行中面抽取处理，并对抽取后的中面进行几何清理，用二维壳单元QUAD4进行网格划分，生成车身有限元模型，吊挂设备在质心处用质量点代替（共有5处，整车有限元模型见图1，沿纵向分别定义为质量点X1，X2，X3，X4和X5），用REB3单元与车体连接，模型总计有730939个节点和872301个单元，根据模型中的板件厚度对各个板单元赋值.

　　1模态分析

　　结构的振动特性与其固有振动特性密切相关，当外载荷频率接近结构的固有频率时，即使外载荷的振幅不大，也会在结构上引起大的响应并可能导致结构疲劳破坏.[6]为分析吊挂设备对车体模态参数的影响，研究提高车体垂向弯曲模态频率的措施，本文对包含吊挂设备的车体结构进行模态分析.分析中仅考虑吊挂设备对车体结构模态的影响，因此模型中没有包含内装模型.本次整车模态计算工况包括刚性吊挂、无吊挂和弹性

　　吊挂等3种.吊挂设备各质量点弹性连接时的质量和刚度见表1，计算得到的3种工况下的整车模态频率见表2.

　　对比设备弹性吊挂工况和无吊挂工况可知，弹性吊挂对车体1阶菱形变形、1阶垂弯和1阶呼吸模态几乎不产生影响，而且能提高1阶扭转模态频率.采用刚性吊挂后，车体垂向弯曲模态频率显著下降，由文献[2]可知，这对车体弹性振动影响较大.运行速度越快，对车体垂向弯曲模态频率的要求越高，所以采用弹性吊挂后可提高车体整备状态的垂向弯曲频率，能有效隔离设备传至车体的振动.[4]

　　2线路激励下的频率响应分析

　　由于设计不合理，轮轨相互作用产生的激励作用在车体上，可能会在车体局部（如地板和侧墙）产生局部振动剧烈，影响舒适性，而且该激励频带比较宽.为模拟在线路运行条件下车体各部位的振动响应，在一处二系弹簧与车体连接点施加0～50Hz幅值都为1000.00mm/s2的强迫加速度激励，分析车体频率响应.由于车体振动剧烈部位通常发生在空调基座、车顶局部、侧墙和吊挂设备上方的地板局部，因此分别在车体侧墙、车顶和地板上选取适当的点作为观测点，见图2，图中的号码代表选取观测点的节点号（下同）.计算得到的各观测点的频率响应曲线见图3～5.

　　（a）靠近激励点一侧的侧墙和车顶的测点

　　（b）远离激励点一侧的侧墙和地板的测点