賈尚帥, 李明高, 張　軍

(1　唐山軌道客車有限責任公司， 河北唐山 063035；2　大連交通大學載運工具先進技術(shù)研究中心， 遼寧大連 116028)

?

動車組車體截面輪廓對車體模態(tài)頻率影響規(guī)律研究*

賈尚帥1, 李明高1, 張軍2

(1唐山軌道客車有限責任公司， 河北唐山 063035；2大連交通大學載運工具先進技術(shù)研究中心， 遼寧大連 116028)

動車組車體結(jié)構(gòu)模態(tài)是影響車輛乘坐舒適度的主要因素之一,車體結(jié)構(gòu)模態(tài)須滿足相關(guān)標準要求。建立某城際動車組車體參數(shù)化有限單元模型，計算車體模態(tài)，分析車體底架、側(cè)墻、頂板總厚度及車體寬度、高度對車體模態(tài)的影響。通過車體截面輪廓參數(shù)對車體模態(tài)頻率的影響規(guī)律分析對車體截面進行修改，得到理想的車體結(jié)構(gòu)，提高車體模態(tài)頻率使其滿足相關(guān)標準要求。

動車組； 有限元法； 車體截面； 模態(tài)頻率

車體是構(gòu)成車輛的主體結(jié)構(gòu)，對車輛的動力學性能有重要影響，車體結(jié)構(gòu)模態(tài)是影響車輛乘坐舒適度的主要因素之一[1-4]。車體結(jié)構(gòu)在減重的同時可能會使車體剛度相應(yīng)降低，并導致車體模態(tài)頻率不能滿足相關(guān)要求；或者當車體結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理或材料選用不當時，也可能導致車體模態(tài)頻率偏低，可能導致車體模態(tài)與轉(zhuǎn)向架模態(tài)產(chǎn)生共振等問題，使車輛產(chǎn)生較大振動，因此車體模態(tài)頻率要滿足相關(guān)標準要求[5-6]。動車組車體普遍采用中空鋁型材制造，由拉伸鋁型材焊接形成車體底架、側(cè)墻、頂板和端墻等主體結(jié)構(gòu)，再將各結(jié)構(gòu)焊接在一起形成車體。車體模態(tài)不但與構(gòu)成車體底架、側(cè)墻、頂板各板件的厚度及總厚度有關(guān)[7]，而且與車體高度和寬度關(guān)系密切[8]。

針對某城際動車組車體模態(tài)頻率較低問題，建立車體有限單元模型，分析車體底架、側(cè)墻、頂板總厚度及車體高度和寬度對車體模態(tài)頻率的影響，得到較理性的車體結(jié)構(gòu)，使車體模態(tài)頻率得到較大提高。

1　結(jié)構(gòu)模態(tài)分析基本理論

(1)

(2)

設(shè){x}={X}eiωt，{X}為車體振動幅值向量，即車體振型向量，ω為車體自由振動角頻率；代入式(2)，得車體振動的特征方程為

(3)

求解方程式(3)可以得到車體各階模態(tài)頻率λi(λi=ωi/2π)和振型{Xi}。車體前幾階模態(tài)對降低車體振動響應(yīng),提高乘坐舒適度是至關(guān)重要的。

2　車體有限單元模型及模態(tài)分析

2.1有限單元模型

該動車組為城際動車組，其特點為車體中間設(shè)置一個車門，加上車體兩端的車門共3個車門，以方便旅客快速上、下車。車體用拉伸鋁型材制造，鋁型材的性能參數(shù)為：彈性模量為71 GPa，密度為2 700 kg/m3，泊松比為0.33。按照不同的結(jié)構(gòu)部位及板殼厚度，整個車體共劃分成96個組，每個組對應(yīng)1個板殼厚度，板殼厚度從2.5 mm到15 mm不等。用Hypermesh軟件劃分車體有限單元網(wǎng)格，基于有限單元法用Nastran軟件計算車體模態(tài)；車體共劃分493 721個有限單元，采用三角形和四邊形單元，以四邊形單元為主，單元邊長約為50 mm。總體和局部有限單元模型如圖1所示。

圖1　車體有限單元模型

2.2模態(tài)計算

模態(tài)計算用整車模型，純車體前3階彎曲模態(tài)振型如圖2所示，前3階模態(tài)頻率分別列在表1中。表1表明,該車鋁合金車體一階垂彎模態(tài)頻率為14.85 Hz，該值較低，會降低車輛乘坐的舒適度，純車體一階垂彎模態(tài)頻率一般需要大于17 Hz才能保整備車模態(tài)大于10 Hz的要求[9]，需要通過結(jié)構(gòu)修改使其提高,以滿足相關(guān)要求。

圖2　車體前3階模態(tài)振型

3　截面輪廓參數(shù)對模態(tài)頻率的影響

3.1車體截面設(shè)計變量

車體截面輪廓參數(shù)如圖3所示。主要計算車體截面主要輪廓參數(shù)對車體模態(tài)頻率的影響，包括底架厚度、側(cè)墻厚度、車頂厚度、車體高度、車體寬度5個參數(shù)。

表1　模態(tài)振型及頻率

圖3　車體截面輪廓參數(shù)

3.2截面參數(shù)對模態(tài)頻率影響

車體底架厚度、側(cè)墻厚度、車頂厚度、高度、寬度對車體前3階模態(tài)頻率的影響分別如表2～表6所示。各表中第一行為車體原始結(jié)構(gòu)參數(shù)及模態(tài)頻率值。

表2　底架厚度對模態(tài)頻率影響

表2表明，底架厚度增加到74 mm時,車體1、2、3階模態(tài)頻率均有增加，其中1、2階模態(tài)頻率增加值大于3階模態(tài)頻率增加值；底架厚度增加到81 mm時，底架前3階模態(tài)頻率反而降低，可見從提高車體模態(tài)頻率的角度來看，底架厚度有一個最佳厚度。

表3　側(cè)墻厚度對模態(tài)頻率影響

表3表明，側(cè)墻厚度增加10%，其值增加到51 mm時，1階模態(tài)頻率得到提高，2階模態(tài)頻率保持不變，3階模態(tài)頻率略有降低；當側(cè)墻厚度增加20%，其值增加到56 mm時，各階模態(tài)頻率均降低。

表4表明，車頂厚度增加10%，其值增加到53 mm時，1、2階模態(tài)頻率得到增加，3階模態(tài)頻率沒有變化；車頂厚度增加20%，其值增加到58 mm時，1階模態(tài)頻率降低，但高于原始值，2階模態(tài)頻率保持不變，3階模態(tài)頻率略有降低。

表4　車頂厚度對模態(tài)頻率影響

表5　車體高度對模態(tài)頻率影響

車體高度是從軌道表面到車頂最高點的高度，車體高度增加時保持其他參數(shù)不變，包括底架厚度、車頂和側(cè)墻厚度都保持不變。表5表明，隨著車體高度增加，1階模態(tài)頻率逐漸降低，每100 mm大約降低0.14 Hz；2階模態(tài)頻率逐漸增加，3階模態(tài)頻率基本保持不變。

表6　車體寬度對模態(tài)頻率影響

表6表明，隨著車體寬度的增加，車體1、2、3階模態(tài)頻率均逐漸降低。

3.3改進后車體模態(tài)分析

以上分析表明，增加車體高度、減小車體寬度可以明顯提高車體一階垂彎模態(tài)頻率，車體底架厚度增加10%也可以提高車體一階垂彎模態(tài)頻率，側(cè)墻、車頂厚度增加對提高一階垂彎模態(tài)頻率效果一般?；谝陨弦?guī)律分析，底架厚度增加到74 mm，車體寬度減小到3 176 mm，車體高度增加到4 200 mm，此時車體質(zhì)量為10.123 t，比原結(jié)構(gòu)增加了0.153 t，但車體一階垂彎模態(tài)頻率增加到15.61 Hz，明顯的提高了車體一階垂彎頻率的效果。在修改車體截面參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過板件厚度優(yōu)化，在保證車體質(zhì)量沒有較大增加的基礎(chǔ)上，使車體第2階模態(tài)既一階垂彎模態(tài)頻率提高到了17 Hz。

4　結(jié)　論

本文建立了某城際動車組鋁合金車體車參數(shù)化有限單元模型，計算了車體模態(tài)，分析了車體前3階模態(tài)頻率隨底架厚度、側(cè)墻厚度、車頂厚度、車體高度、車體寬度的變化規(guī)律。分析表明，底架厚度改變對車體模態(tài)頻率的影響大于車體側(cè)墻、車頂厚度改變的影響，底架厚度有一個最佳的厚度值使車體一階垂彎模態(tài)頻率最大；對于分析的3門車體來說，側(cè)墻厚度增加使第3階模態(tài)(一階扭轉(zhuǎn))態(tài)頻率降低，第1階模態(tài)(一階菱形)頻率增加，對第2階(一階垂彎)模態(tài)頻率影響較??；車頂厚度增加使第1、2階模態(tài)頻率略為增加，對第3階模態(tài)頻率影響較小。車體高度增加，使第2階模態(tài)(一階垂彎)頻率增加明顯，但會導致1階模態(tài)(一階菱形)頻率降低，對車體第3階模態(tài)(一階扭轉(zhuǎn))模態(tài)頻率影響較??；隨著車體寬度的增加，車體第1階(一階菱形)、第2階(一階垂彎)、第3階(一階扭轉(zhuǎn))模態(tài)頻率均逐漸降低。通過計算分析，合理修改車體截面結(jié)構(gòu)參數(shù)使車體第2階模態(tài)(一階垂彎)頻率提高到了 15.61 Hz，在此基礎(chǔ)上通過對車體板殼厚度優(yōu)化使車體一階垂彎模態(tài)頻率提高到了17 Hz，達到了預期效果。

[1]吳丹,商躍進,王紅，等. 160 km/h軌道車車體模態(tài)和穩(wěn)定性有限元分析[J]. 機車電傳動, 2011,(5): 14-16.

[2]平學成,王先亮,朱韶光， 等. B型地鐵鋁合金車體工作模態(tài)分析[J].鐵道機車車輛, 2015, 35(1): 115-117.

[3]宮島,周勁松,孫文靜， 等. 鐵道車輛彈性車體垂向運行平穩(wěn)性最優(yōu)控制[J]. 同濟大學學報, 2011, 39(3):416-420.

[4]羅光兵,曾京. 基于彈性結(jié)構(gòu)的軌道車輛振動分析[J]. 機械設(shè)計與制造,2013,5:67-73.

[5]趙陽陽,劉士煜. 高速列車承載結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率提高策略研究[J]. 佳木斯大學學報,2011,29(4): 496-499.

[6]沈宏峻，周勁松，等． 鉸接式客車車體的輕量化 設(shè)計和模態(tài)分析[J]．鐵道學報,1997,(19):46-51．

[7]干宇文,張立民. 高速列車承載結(jié)構(gòu)對車體模態(tài)頻率的影響[J].機械,2013,40(11):26-28.

[8]佟維, 劉曉雪. 高速動車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略[J].計算力學學報，2009，26(3):424-427.

[9]張遠亮，張立民，張艷斌.車體配重對車體1階垂彎頻率的影響分析[J].鐵道機車車輛, 2015, 35(1): 51-53.

Modal Frequency Rule with the Section Parameters of EMU Bodywork

JIAShangshuai1,LIMinggao1,ZHANGJun2

(1Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd., Tangshan 063035 Hebei, China;2College of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028 Liaoning, China)

The bodywork modal frequencies have the significant effect on carborne, the modal frequencies of carbody should meet the standard request. A finite element model of EMU bodywork is established, the bodywork modals are calculated, and the change rules of modal frequencies with the bottom thicknesses, the side wall thicknesses, top plate thicknesses, vehicle heights and vehicle widths are analyzed and generalized. Basing on the change rules of modal frequencies, the section parameters are revamped, the modal frequencies of bodywork are increased, the relative standards that the frequency of first order bending mode is satisfied.

EMU； finite element method； bodywork section； modal frequency

1008-7842 (2016) 03-0043-03

??)男，工程師(

2015-12-30)

U266.32

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.09

*中國鐵道總公司項目資助(2014J004-O)；牽引動力國家重點實驗室開放課題資助(TPL1402)