淺談模態(tài)測試在高速列車車體振動分析中的應用

張向海 郭 璇 李成福

中車長春軌道客車股份有限公司

淺談模態(tài)測試在高速列車車體振動分析中的應用

張向海 郭 璇 李成福

中車長春軌道客車股份有限公司

利用模態(tài)測試技術可以對車體的振動進行動態(tài)分析和評價，此測試技術是高速列車車體結構動態(tài)設計與整車性能優(yōu)化的重要方法。本文對高速列車A車車體的模態(tài)試驗過程和結果進行了描述，并獲得了A車車體的模態(tài)參數(shù)，為車體動態(tài)性能分析與設計提供了試驗依據(jù)。

模態(tài)；高速列車；試驗

1 引言

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，車體輕量化設計憑借降低制造成本以及減小輪軌相互作用力等優(yōu)點己被普遍采用，但輕量化設計會導致車體結構整體剛度減弱，從而導致車體發(fā)生異常振動。因此，高速列車車體的安全問題備受關注。如何在“高速”和“安全”中求得一個平衡至關重要。本文對模態(tài)測試技術在高速列車A車車體振動分析中的應用進行闡述，通過模態(tài)測試技術中獲得的模態(tài)參數(shù)，可以對車體的結構設計參數(shù)進行優(yōu)化和改進，以提供車體的動態(tài)性能。

2 測試原理與模態(tài)參數(shù)識別方法

測試采用電動激振原理測量車體振動模態(tài)參數(shù)，當電動激振器激勵車體結構時，車體產生振動。經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集激振力和各測點的加速度響應時域信號。經(jīng)數(shù)據(jù)處理可得激振的力譜和車體結構上的響應與激勵相對應的加速度譜。由于激振力譜是通過信號發(fā)生器產生有限帶寬激勵譜，在車體結構上的響應是與激勵相對應帶寬加速度譜。通過測試信號進行自功率譜和互功率譜計算；根據(jù)多次平均，用HV估計法求得頻響函數(shù)的最小二乘近似值，得出激振產生的各點頻響函數(shù)[1]。

根據(jù)測量的各測點頻響函數(shù)，運用模態(tài)參數(shù)識別原理，對車體的振動固有頻率、振型和阻尼進行參數(shù)識別。本試驗運用比利時LMS Test.Lab Modal Analysis and PolyMAX(最小二乘復頻域法)模態(tài)分析軟件模塊進行參數(shù)識別。

3 測試點的選取

測點布置的原則分為兩部分：一是布置于車體主要框架、車體底部縱梁上；二是布置于車體底架、側墻和車頂。車體分為12個斷面，每個斷面共12個測點，共布置144個測點。

表1 高速列車A車車體模態(tài)頻率、阻尼比與振型分析

4 試驗過程

(1)布置測點并應用軟件建立幾何模型；

(2)安裝電磁激振器和加速度傳感器；

(3)測試系統(tǒng)調試并進行預試驗：

(4)各測點頻響函數(shù)試驗，監(jiān)測各測點相干函數(shù)和頻響函數(shù)；

(5)模態(tài)分析預處理；

(6)對測量結果不理想測點進行分析和補測頻響函數(shù)；

(7)應用LMS Test.Lab Modal Analysis模塊和PolyMAX模塊進行模態(tài)分析。

5 試驗結果及分析

5.1 模態(tài)參數(shù)識別

模態(tài)參數(shù)識別是采用最小二乘復頻域法，計算各響應點對激勵力的頻響函數(shù)，然后把各測點的全部頻響函數(shù)按幅值求和，使峰值信息集中在系統(tǒng)綜合頻響函數(shù)之和中，形成模態(tài)參數(shù)識別的穩(wěn)態(tài)圖。將所選頻帶寬度確定為5Hz-40Hz，在模態(tài)參數(shù)識別的穩(wěn)態(tài)圖“穩(wěn)定極點”處選擇極點，對選定的極點進行模態(tài)向量估計，最終得到A車車體結構模態(tài)頻率、振型和阻尼比。

5.2 試驗分析結果

高速列車A車車體結構模態(tài)頻率、阻尼比與振型分析見表1。

6 結論

在高速列車A車車體振動分析中，采用模態(tài)測試技術對車體進行動態(tài)分析和評價已成為對車體性能優(yōu)化進行評估的有效手段之一。試驗分析表明：

(1)通過對高速列車A車車體結構進行模態(tài)試驗和分析得到了被試車體結構的模態(tài)參數(shù)。

(2)基于Polymax算法產生的穩(wěn)態(tài)圖可以識別強阻尼和密集的模態(tài)。

(3)模態(tài)試驗分析為車體動態(tài)性能分析與設計提供了試驗依據(jù)，同時，對有限元結果起到了一定的驗證作用，進而為車體的設計與改進提供依據(jù)。

[1]俞云書.結構模態(tài)試驗分析[M].北京：宇航出版社，2000：15-67.