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动车组车体动态响应分析
作者:尹聪聪
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铁路与轨道交通展厅
铁路养护工具, ...
轨道车辆车身受到来自轨道的激励产生振动,由于某些结构设计不合理, 车身会因振动而产生弯曲、扭转等变形,造成某些部件疲劳破坏,甚至断裂。对设计好的车体结构进行动力响应分析,能够校核其是否满足轨道车辆设计要求,提高车辆运行时的舒适性,同时还能保证车体承载结构、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发生共振[1],满足模态匹配策略。

本文所用的整车结构动力响应分析有限元模型总计有730939个节点和872301个单元,整车模型如图1所示。求解器为RADIOSS,RADIOSS为专业的结构力学求解器,其引用类似Nastran的卡片形式求解文件,在线性领域以及车辆碰撞等显示非线性领域都有卓越的表现。后处理软件是HyperWorks平台的通用后处理软件,能够为各种有限元计算结果提供后处理,界面友好,结果插值方式多,定制化程度高。

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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有可能导致破坏[2]。

本次整车模态计算分为车体与二系弹簧连接处弹性约束时和自由状态时的车体模态参数计算。将设置好参数的有限元模型提交RADIOSS求解器,计算得到的各工况下的整车模态参数计算结果如表1所示,模态阵型图如图2至图9所示。

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由表1可以看出各种工况下一阶菱形模态的模态频率都大于10Hz,满足《200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》6.4.1节中规定的“整备状态车体最低弯曲频率不得低于10Hz”的规范要求;对比弹性约束和无约束下的车体的模态参数可以发现弹性约束对车体的模态参数影响不大,在弹性约束条件下计算瞬态响应可以看成是在自由模态条件下的瞬态响应计算,避免了约束条件对计算结果的影响,使瞬态响应的计算结果更加准确。

2 瞬态响应分析

瞬态响应分析可以得到结构在随时间变化激励载荷下的响应。瞬态激励载荷在时间域内显示定义,所有加到结构上的载荷在每一个时刻都是已知的[3]。本文是以实际测得的动车组在运行速度为200Km/h时二系空气弹簧处的加速度作为强迫加速度。分析方法是模态瞬态响应分析,这种方法利用结构阵型缩减问题求解空间的大小,解耦运动方程(当使用模态阻尼或没有阻尼时),使数值求解更为高效。

车体运行过程中最容易发生振动剧烈的部位是空调基座、侧墙和地板,因此在这些选取适当的热点,其瞬态响应曲线变化图如图11至图14所示。将车体看成是前后对称结构,因此选取的热点位置是车体靠近车体一端和靠近车体中间的位置,其位置和节点号如表2和图10所示。

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由图12至图14可以看到侧墙振动最为剧烈,且侧墙中部振动明显比端部剧烈,因此为了避免在实际运行过程中出现侧墙振动剧烈影响舒适性的问题,建议侧墙中部在适当增加刚度,以降低振动幅值。

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3结论

从以上模态参数计算结果和实际运行工况下瞬态响应计算结果可以看出:

1、采用弹性约束条件进行整车模态参数计算时结果与自由状态时的模态参数计算结果相差不大。

2、车体侧墙中部应适当增加刚度,以降低由轨道不平顺引起的振动,提高舒适性。

4参考文献
[1]周劲松,宫岛,任利惠。铁道车辆弹性车体被动减振仿真分析. 同济大学学报(自然科学版),2009, 37(8):1085-1089
[2]傅志方, 华宏星. 模态分析理论与应用[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2000.
[3]马爱军,周传月,王旭. Patran和Nastran有限元分析专业教程[M]. 清华大学出版社, 2005,1.(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (7/8/2013)
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