甘慧慧

摘 要：本文基于CAD/CAE/CAM軟件UG NX10.0，建立了列車RC4型輪對的有限元模型，并對其進(jìn)行了模態(tài)分析，得出列車RC4型輪對的73階模態(tài)及其相應(yīng)振型；同時通過瞬態(tài)動力學(xué)分析，得到了在輪軌垂向力的作用下，RC4型輪對的位移響應(yīng)及加速度響應(yīng)，為后續(xù)高速鐵路無砟軌道輪軌振動與噪聲分析提供了相關(guān)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：RC4型輪對 有限元模型 模態(tài)分析 瞬態(tài)動力學(xué)分析

中圖分類號：U270 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）10（b）-0044-02

列車運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲主要來自于車輪和軌道相互作用產(chǎn)生的高頻振動所輻射的噪聲，而列車轉(zhuǎn)向架的高頻振動主要以輪對為主[1]。輪對的模態(tài)分析是其動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，通過對列車輪對進(jìn)行模態(tài)分析，可以了解其固有頻率和振型，通過瞬態(tài)動力學(xué)分析，可以得到在特定方向激勵作用下的位移及加速度響應(yīng)，從而進(jìn)一步研究輪對振動及噪聲產(chǎn)生的原因。

1 RC4型輪對FEM模型的建立

本文根據(jù)TB/T 1010-2016規(guī)定的列車輪對參數(shù)，利用大型CAD/CAM軟件UG建立了列車RC4型輪對三維模型，其中車軸采用RC4型，車輪采用KKD型，車輪踏面采用TB/T 449-2016規(guī)定的LM型，建立三維模型后，在UG軟件的高級仿真模塊建立輪對的FEM模型，模型包含CTETRA（10）十節(jié)點(diǎn)四面體單元234807個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為380854個，輪軸與車輪之間采用面與面粘合方式耦合[2]。

2 模態(tài)分析

本文采用UG軟件的NX NASTRAN求解器求解，解算方案類型采用SOL 103實值特征，設(shè)置頻率下限為0Hz，頻率上限為5000Hz，提取模態(tài)階數(shù)為100階。

解算完成后，對振型結(jié)果進(jìn)行篩選，由于車軸的自振變形對于車輪的振動特性以及輪軌噪聲的影響比較小，所以將這類振型剔除，最后共得到73階振型。

由于輪對模型為軸對稱結(jié)構(gòu)，所以部分模態(tài)的固有頻率非常接近，如2階和3階、9階至12階等，其模態(tài)振型基本一致，且相近階位的振型左右車輪對稱，只是振動的相位相差半個周期。從各階中提取出對車輪振動影響較大的幾階典型振型，如圖1所示。

從各階振型的分布可以看出，RC4型輪對車輪在0～5000Hz范圍內(nèi)的模態(tài)自振主要包括踏面扭擺振動、輻板軸向、徑向振動以及踏面和輻板的混合振動。在1000Hz以下主要是踏面振動為主，1000～2000Hz之間主要體現(xiàn)為混合振動，2000Hz以上主要體現(xiàn)為輻板振動。說明在1000Hz以內(nèi)，RC階型輪對的噪聲輻射主要部位為車輪踏面，1000～2000Hz之間噪聲輻射主要部位是車輪踏面和輻板混合發(fā)出，2000Hz以上噪聲輻射主要部位為車輪輻板。

4 瞬態(tài)動力學(xué)分析

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的參數(shù)，用計算機(jī)編程數(shù)據(jù)模擬求解得出列車時速為300km/h的輪軌垂向力-時間曲線，并在RC4型輪對的FEM模型名義接觸點(diǎn)上施加載荷，進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，取車輪踏面、輻板、輪輞為觀察點(diǎn)，得到車輪各觀察點(diǎn)的時域響應(yīng)特性分析如圖2、圖3所示。

從位移-時間曲線及加速度-位移曲線可以看出，車輪踏面的位移和加速度變化最為明顯，其次是輻板，輪輞的變化最小。車輪踏面與輻板的位移和加速度變化趨勢及數(shù)值基本一致，由此可以在后續(xù)的噪聲分析中只用車輪踏面代表整個輪對的激勵響應(yīng)。

5 結(jié)語

本文建立了列車RC4型輪對的有限元模型，通過模態(tài)分析，得到了73階固有頻率及其相應(yīng)的振型；通過瞬態(tài)動力學(xué)分析，得到了在輪軌垂向力作用下，RC4型輪對的位移響應(yīng)及加速度響應(yīng)，為無砟軌道輪軌振動與噪聲的后續(xù)研究提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] T.Ten Wolde，C.J.M. van Ruitten. Sources and mechanisms of wheel/rail noise： state-the-art and recent research [J]. Journal of Sound and Vibration. 1983，87（22）：147-160.

[2] 羅賢能.2.5維有限元—邊界元方法分析高速鐵路無砟軌道振動及聲輻射特性[D].華東交通大學(xué)，2018.

[3] 雷曉燕，圣小珍.現(xiàn)代軌道理論研究[M].北京：中國鐵道出版社，2008.