CRH380高速動(dòng)車組半包間結(jié)構(gòu)研究以及振動(dòng)模態(tài)分析

趙鳳啟+王志濤+李寶泉+趙洪利

摘要：文章對(duì)高速動(dòng)車組用半包間結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，半包間采用多級(jí)模塊化設(shè)計(jì)方案，選用鋁型材以及鋼化夾膠夾絹玻璃等結(jié)構(gòu)，這些設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有效地防止了高速車運(yùn)行過(guò)程中，空氣阻力引起的振動(dòng)沖擊對(duì)半包間強(qiáng)度破壞和振動(dòng)噪音的影響，增強(qiáng)了車內(nèi)的舒適性能。針對(duì)此種結(jié)構(gòu)，采用有限元振動(dòng)模態(tài)分析的方法，對(duì)其進(jìn)行仿真分析，得到其最低振動(dòng)模態(tài)頻率為20.532Hz，避免了與車體共振的發(fā)生。從而證實(shí)了此半包間結(jié)構(gòu)滿足高速動(dòng)車組的運(yùn)營(yíng)條件要求，具有良好的抗振動(dòng)性能，滿足其舒適性能要求。

關(guān)鍵詞：半包間；有限元分析；模態(tài)分析；振動(dòng)分析

中圖分類號(hào)：U266 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）01-0129-03

1 概述

隨著人們生活水平的提高以及我國(guó)鐵路事業(yè)的發(fā)展，高速、便捷、舒適的鐵路運(yùn)輸車輛不斷出現(xiàn)，以滿足人民群眾生活生產(chǎn)工作的需要。伴隨高速度要求，空氣動(dòng)阻力已成為列車主要的影響因素，空氣氣流引起的振動(dòng)噪聲影響客室的舒適性。一般來(lái)說(shuō)，為了避免共振現(xiàn)象，系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)避開(kāi)振動(dòng)激勵(lì)的頻率，兩者比值應(yīng)大于2.5，稱其為倍頻法則。但在寬帶振動(dòng)環(huán)境中，這是做不到的，只能做到降低共振峰值、傳遞率和相關(guān)耦合率。本文對(duì)動(dòng)車組中使用的半包間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，從而證實(shí)其滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)要求，可為以后新車型的設(shè)計(jì)提供參考。

2 半包間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

2.1 間壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)車組半包間設(shè)計(jì)采用多級(jí)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以保證安裝和檢修方便。例如間壁玻璃破損后，整個(gè)模塊更換時(shí)間大約20分鐘。其總體如圖1所示，分為間壁模塊1、間壁模塊2、間壁模塊3和間壁模塊4。

圖1 半包間組成

圖2 半包間間壁

每個(gè)模塊可以單獨(dú)安裝，且下面的子模塊可以單獨(dú)拆卸和維修。如圖2所示，間壁模塊4的子模塊中間壁部分包括間壁41、間壁42和連接立柱43，連接立柱43型材帶有凹槽，間壁41和42型材帶有凸起，間壁41通過(guò)43和42連接成為一個(gè)整體，并采用螺栓連接。若其中任一破損均可單獨(dú)拆下維修。間壁采用鋁型材和雙層鋼化夾膠夾絹玻璃組成，玻璃與鋁型材采用膠接技術(shù)，上部覆蓋板以及下部檢修板等相關(guān)附屬部件與鋁型材采用3M尼龍搭扣連接方式，夾絹玻璃膠接結(jié)構(gòu)和3M尼龍搭扣連接方式既保證設(shè)計(jì)的美觀性能，強(qiáng)度要求，又可以減少列車振動(dòng)沖擊對(duì)間壁部件的影響。

2.2 門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

半包間采用電控電動(dòng)雙開(kāi)內(nèi)藏式移門，如圖3所示，主要包括門扇、控制系統(tǒng)、門機(jī)構(gòu)和門檻部件等，各個(gè)部分采用模塊化設(shè)計(jì)，便于安裝和維修。門扇采用鋼化夾膠夾絹玻璃組成，門扇前沿設(shè)有防撞結(jié)構(gòu)。門機(jī)構(gòu)分為動(dòng)力部分和非動(dòng)力部分。動(dòng)力部分帶有門控器、電機(jī)、門導(dǎo)軌等。非動(dòng)力部分不帶門控器和電機(jī)，動(dòng)力部分和非動(dòng)力部分通過(guò)鋼絲繩連接，通過(guò)鋼絲繩動(dòng)力部分帶動(dòng)非動(dòng)力部分協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。門系統(tǒng)具有自動(dòng)、手動(dòng)和隔離等功能。

圖3 門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 與車體底架連接結(jié)構(gòu)

圖5 與車體側(cè)墻連接結(jié)構(gòu)

2.3 外部接口設(shè)計(jì)

半包間與車體的接口采用柔性連接的方式進(jìn)行，主要的連接部位為車體地板和車體側(cè)墻，與車體底架的連接結(jié)構(gòu)如圖4所示。半包間底部鋁型材安置在木地板上，通過(guò)螺栓與支架上的活螺母緊固，支架與支架鋁板采用螺栓緊固件連接，支架鋁板焊接在車體鋁底架上。在木地板與支架、支架與支撐鋁板之間安裝有彈性膠墊。此種結(jié)構(gòu)使半包間與車體底架之間具有良好的柔性，減少車體振動(dòng)沖擊對(duì)半包間結(jié)構(gòu)的影響。

半包間與車體側(cè)墻的連接結(jié)構(gòu)如圖5所示。半包間側(cè)部鋁型材通過(guò)連接支架與車體側(cè)墻連接。采用螺栓將連接支架緊固在車體的安裝架上，鋁型材與連接支架采用螺栓與卡式螺母連接，在緊固過(guò)程中，預(yù)緊力為一定值，保證卡式螺母在開(kāi)口內(nèi)可以有微量的滑動(dòng)。此種結(jié)構(gòu)近似為柔性連接，可以減少由于車體內(nèi)外壓差引起車體橫向變形對(duì)半包間的影響。

3 半包間振動(dòng)模態(tài)分析

3.1 模態(tài)分析簡(jiǎn)介

模態(tài)分析就是以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)、以模態(tài)參數(shù)為目標(biāo)的分析方法，其經(jīng)典定義是：將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)參數(shù)主要包括模態(tài)頻率（固有頻率）、模態(tài)向量（振型）、模態(tài)阻尼（阻尼系數(shù)）以及模態(tài)質(zhì)量等。模態(tài)分析的目的是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.2 有限元模態(tài)仿真分析建模與參數(shù)

本文采用有限元法對(duì)動(dòng)車組半包間三維模型進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，采用的模型為solidworks三維軟件繪制的實(shí)體模型。采用有限元分析軟件MSC/Patran、Nastran進(jìn)行分析和處理。材料參數(shù)如表1所示。

根據(jù)實(shí)際安裝情況，按照包間個(gè)各間壁與周圍部件的接口方式進(jìn)行施加全約束。

3.3 有限元仿真分析結(jié)果

采用振型疊加法，為得到精確的仿真結(jié)果，要保證在振動(dòng)主方向上的總質(zhì)量超過(guò)模型中可運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的90%，仿真中提取了四種模型的前三十階固有頻率和振型。其中前6階固有頻率和前4階振型如下：

間壁模塊1、2、3、4的前6階固有頻率詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表2。

間壁模塊的一至四階振型分別如圖6至9所示。

圖6 間壁模塊5一階振型

圖7 間壁模塊1二階振型

3.4 仿真結(jié)果分析

通過(guò)表2，以及圖6至9可以看出，對(duì)于固定點(diǎn)和方式相同的間壁質(zhì)量大的其同階共振頻率比較大。最低模態(tài)頻率f為20.532Hz（列車自身頻率為10～13Hz），高出列車自身頻率的1.5倍以上，有效避免了共振現(xiàn)象的產(chǎn)生?，F(xiàn)列車已經(jīng)在京滬高鐵運(yùn)輸線上運(yùn)行，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中并未產(chǎn)生共振現(xiàn)象，而且由于在實(shí)際安裝過(guò)程中采取柔性連接，進(jìn)一步避免了共振的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)半包間結(jié)構(gòu)的研究分析，并采用有限元模態(tài)分析的方法對(duì)其三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到其可以滿足高速動(dòng)車組運(yùn)行環(huán)境的要求，可以保證其運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)沖擊對(duì)其性能的影響。并得到如下結(jié)論：

（1）此種結(jié)構(gòu)半包間振動(dòng)最低模態(tài)頻率為20.532Hz，遠(yuǎn)高于列車自身頻率10～13Hz，有效避免了共振現(xiàn)象的

產(chǎn)生。

（2）由于仿真分析是建立在車體剛性連接的基礎(chǔ)上，實(shí)際過(guò)程中，半包間與車體采用柔性技術(shù)連接，更進(jìn)一步保證了車體振動(dòng)變形對(duì)其強(qiáng)度和振動(dòng)方面的影響，可以滿足列車的舒適性能。

圖8 間壁模塊1三階振型

圖9 間壁模塊1四階振型

（3）通過(guò)對(duì)半包間結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能的仿真分析，為進(jìn)一步對(duì)半包間等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚宇軒，夏軍.車載電子設(shè)備的抗振設(shè)計(jì)與分析[J].

零八一科技，2007，（2）：39-43.

[2] 曹樹謙，張文德，蕭龍翔.振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析：理

論、實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用[M].天津：天津大學(xué)出版社，2001.

[3] 傅志方，華宏星.模態(tài)分析、理論與應(yīng)用[M].上

海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

[4] 鮑丙豪，趙洪利，等.基于ABAQUS的印刷電路板組

件模態(tài)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009，（4）.

作者簡(jiǎn)介：趙鳳啟，男，唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品研發(fā)中心高級(jí)工程師，研究方向：軌道車輛研發(fā)

設(shè)計(jì)。endprint

摘要：文章對(duì)高速動(dòng)車組用半包間結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，半包間采用多級(jí)模塊化設(shè)計(jì)方案，選用鋁型材以及鋼化夾膠夾絹玻璃等結(jié)構(gòu)，這些設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有效地防止了高速車運(yùn)行過(guò)程中，空氣阻力引起的振動(dòng)沖擊對(duì)半包間強(qiáng)度破壞和振動(dòng)噪音的影響，增強(qiáng)了車內(nèi)的舒適性能。針對(duì)此種結(jié)構(gòu)，采用有限元振動(dòng)模態(tài)分析的方法，對(duì)其進(jìn)行仿真分析，得到其最低振動(dòng)模態(tài)頻率為20.532Hz，避免了與車體共振的發(fā)生。從而證實(shí)了此半包間結(jié)構(gòu)滿足高速動(dòng)車組的運(yùn)營(yíng)條件要求，具有良好的抗振動(dòng)性能，滿足其舒適性能要求。

關(guān)鍵詞：半包間；有限元分析；模態(tài)分析；振動(dòng)分析

中圖分類號(hào)：U266 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）01-0129-03

1 概述

隨著人們生活水平的提高以及我國(guó)鐵路事業(yè)的發(fā)展，高速、便捷、舒適的鐵路運(yùn)輸車輛不斷出現(xiàn)，以滿足人民群眾生活生產(chǎn)工作的需要。伴隨高速度要求，空氣動(dòng)阻力已成為列車主要的影響因素，空氣氣流引起的振動(dòng)噪聲影響客室的舒適性。一般來(lái)說(shuō)，為了避免共振現(xiàn)象，系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)避開(kāi)振動(dòng)激勵(lì)的頻率，兩者比值應(yīng)大于2.5，稱其為倍頻法則。但在寬帶振動(dòng)環(huán)境中，這是做不到的，只能做到降低共振峰值、傳遞率和相關(guān)耦合率。本文對(duì)動(dòng)車組中使用的半包間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，從而證實(shí)其滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)要求，可為以后新車型的設(shè)計(jì)提供參考。

2 半包間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

2.1 間壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)車組半包間設(shè)計(jì)采用多級(jí)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以保證安裝和檢修方便。例如間壁玻璃破損后，整個(gè)模塊更換時(shí)間大約20分鐘。其總體如圖1所示，分為間壁模塊1、間壁模塊2、間壁模塊3和間壁模塊4。

圖1 半包間組成

圖2 半包間間壁

每個(gè)模塊可以單獨(dú)安裝，且下面的子模塊可以單獨(dú)拆卸和維修。如圖2所示，間壁模塊4的子模塊中間壁部分包括間壁41、間壁42和連接立柱43，連接立柱43型材帶有凹槽，間壁41和42型材帶有凸起，間壁41通過(guò)43和42連接成為一個(gè)整體，并采用螺栓連接。若其中任一破損均可單獨(dú)拆下維修。間壁采用鋁型材和雙層鋼化夾膠夾絹玻璃組成，玻璃與鋁型材采用膠接技術(shù)，上部覆蓋板以及下部檢修板等相關(guān)附屬部件與鋁型材采用3M尼龍搭扣連接方式，夾絹玻璃膠接結(jié)構(gòu)和3M尼龍搭扣連接方式既保證設(shè)計(jì)的美觀性能，強(qiáng)度要求，又可以減少列車振動(dòng)沖擊對(duì)間壁部件的影響。

2.2 門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

半包間采用電控電動(dòng)雙開(kāi)內(nèi)藏式移門，如圖3所示，主要包括門扇、控制系統(tǒng)、門機(jī)構(gòu)和門檻部件等，各個(gè)部分采用模塊化設(shè)計(jì)，便于安裝和維修。門扇采用鋼化夾膠夾絹玻璃組成，門扇前沿設(shè)有防撞結(jié)構(gòu)。門機(jī)構(gòu)分為動(dòng)力部分和非動(dòng)力部分。動(dòng)力部分帶有門控器、電機(jī)、門導(dǎo)軌等。非動(dòng)力部分不帶門控器和電機(jī)，動(dòng)力部分和非動(dòng)力部分通過(guò)鋼絲繩連接，通過(guò)鋼絲繩動(dòng)力部分帶動(dòng)非動(dòng)力部分協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。門系統(tǒng)具有自動(dòng)、手動(dòng)和隔離等功能。

圖3 門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 與車體底架連接結(jié)構(gòu)

圖5 與車體側(cè)墻連接結(jié)構(gòu)

2.3 外部接口設(shè)計(jì)

半包間與車體的接口采用柔性連接的方式進(jìn)行，主要的連接部位為車體地板和車體側(cè)墻，與車體底架的連接結(jié)構(gòu)如圖4所示。半包間底部鋁型材安置在木地板上，通過(guò)螺栓與支架上的活螺母緊固，支架與支架鋁板采用螺栓緊固件連接，支架鋁板焊接在車體鋁底架上。在木地板與支架、支架與支撐鋁板之間安裝有彈性膠墊。此種結(jié)構(gòu)使半包間與車體底架之間具有良好的柔性，減少車體振動(dòng)沖擊對(duì)半包間結(jié)構(gòu)的影響。

半包間與車體側(cè)墻的連接結(jié)構(gòu)如圖5所示。半包間側(cè)部鋁型材通過(guò)連接支架與車體側(cè)墻連接。采用螺栓將連接支架緊固在車體的安裝架上，鋁型材與連接支架采用螺栓與卡式螺母連接，在緊固過(guò)程中，預(yù)緊力為一定值，保證卡式螺母在開(kāi)口內(nèi)可以有微量的滑動(dòng)。此種結(jié)構(gòu)近似為柔性連接，可以減少由于車體內(nèi)外壓差引起車體橫向變形對(duì)半包間的影響。

3 半包間振動(dòng)模態(tài)分析

3.1 模態(tài)分析簡(jiǎn)介

模態(tài)分析就是以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)、以模態(tài)參數(shù)為目標(biāo)的分析方法，其經(jīng)典定義是：將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)參數(shù)主要包括模態(tài)頻率（固有頻率）、模態(tài)向量（振型）、模態(tài)阻尼（阻尼系數(shù)）以及模態(tài)質(zhì)量等。模態(tài)分析的目的是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.2 有限元模態(tài)仿真分析建模與參數(shù)

本文采用有限元法對(duì)動(dòng)車組半包間三維模型進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，采用的模型為solidworks三維軟件繪制的實(shí)體模型。采用有限元分析軟件MSC/Patran、Nastran進(jìn)行分析和處理。材料參數(shù)如表1所示。

根據(jù)實(shí)際安裝情況，按照包間個(gè)各間壁與周圍部件的接口方式進(jìn)行施加全約束。

3.3 有限元仿真分析結(jié)果

采用振型疊加法，為得到精確的仿真結(jié)果，要保證在振動(dòng)主方向上的總質(zhì)量超過(guò)模型中可運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的90%，仿真中提取了四種模型的前三十階固有頻率和振型。其中前6階固有頻率和前4階振型如下：

間壁模塊1、2、3、4的前6階固有頻率詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表2。

間壁模塊的一至四階振型分別如圖6至9所示。

圖6 間壁模塊5一階振型

圖7 間壁模塊1二階振型

3.4 仿真結(jié)果分析

通過(guò)表2，以及圖6至9可以看出，對(duì)于固定點(diǎn)和方式相同的間壁質(zhì)量大的其同階共振頻率比較大。最低模態(tài)頻率f為20.532Hz（列車自身頻率為10～13Hz），高出列車自身頻率的1.5倍以上，有效避免了共振現(xiàn)象的產(chǎn)生?，F(xiàn)列車已經(jīng)在京滬高鐵運(yùn)輸線上運(yùn)行，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中并未產(chǎn)生共振現(xiàn)象，而且由于在實(shí)際安裝過(guò)程中采取柔性連接，進(jìn)一步避免了共振的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)半包間結(jié)構(gòu)的研究分析，并采用有限元模態(tài)分析的方法對(duì)其三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到其可以滿足高速動(dòng)車組運(yùn)行環(huán)境的要求，可以保證其運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)沖擊對(duì)其性能的影響。并得到如下結(jié)論：

（1）此種結(jié)構(gòu)半包間振動(dòng)最低模態(tài)頻率為20.532Hz，遠(yuǎn)高于列車自身頻率10～13Hz，有效避免了共振現(xiàn)象的

產(chǎn)生。

（2）由于仿真分析是建立在車體剛性連接的基礎(chǔ)上，實(shí)際過(guò)程中，半包間與車體采用柔性技術(shù)連接，更進(jìn)一步保證了車體振動(dòng)變形對(duì)其強(qiáng)度和振動(dòng)方面的影響，可以滿足列車的舒適性能。

圖8 間壁模塊1三階振型

圖9 間壁模塊1四階振型

（3）通過(guò)對(duì)半包間結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能的仿真分析，為進(jìn)一步對(duì)半包間等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚宇軒，夏軍.車載電子設(shè)備的抗振設(shè)計(jì)與分析[J].

零八一科技，2007，（2）：39-43.

[2] 曹樹謙，張文德，蕭龍翔.振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析：理

論、實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用[M].天津：天津大學(xué)出版社，2001.

[3] 傅志方，華宏星.模態(tài)分析、理論與應(yīng)用[M].上

海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

[4] 鮑丙豪，趙洪利，等.基于ABAQUS的印刷電路板組

件模態(tài)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009，（4）.

作者簡(jiǎn)介：趙鳳啟，男，唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品研發(fā)中心高級(jí)工程師，研究方向：軌道車輛研發(fā)

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摘要：文章對(duì)高速動(dòng)車組用半包間結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，半包間采用多級(jí)模塊化設(shè)計(jì)方案，選用鋁型材以及鋼化夾膠夾絹玻璃等結(jié)構(gòu)，這些設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有效地防止了高速車運(yùn)行過(guò)程中，空氣阻力引起的振動(dòng)沖擊對(duì)半包間強(qiáng)度破壞和振動(dòng)噪音的影響，增強(qiáng)了車內(nèi)的舒適性能。針對(duì)此種結(jié)構(gòu)，采用有限元振動(dòng)模態(tài)分析的方法，對(duì)其進(jìn)行仿真分析，得到其最低振動(dòng)模態(tài)頻率為20.532Hz，避免了與車體共振的發(fā)生。從而證實(shí)了此半包間結(jié)構(gòu)滿足高速動(dòng)車組的運(yùn)營(yíng)條件要求，具有良好的抗振動(dòng)性能，滿足其舒適性能要求。

關(guān)鍵詞：半包間；有限元分析；模態(tài)分析；振動(dòng)分析

中圖分類號(hào)：U266 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）01-0129-03

1 概述

隨著人們生活水平的提高以及我國(guó)鐵路事業(yè)的發(fā)展，高速、便捷、舒適的鐵路運(yùn)輸車輛不斷出現(xiàn)，以滿足人民群眾生活生產(chǎn)工作的需要。伴隨高速度要求，空氣動(dòng)阻力已成為列車主要的影響因素，空氣氣流引起的振動(dòng)噪聲影響客室的舒適性。一般來(lái)說(shuō)，為了避免共振現(xiàn)象，系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)避開(kāi)振動(dòng)激勵(lì)的頻率，兩者比值應(yīng)大于2.5，稱其為倍頻法則。但在寬帶振動(dòng)環(huán)境中，這是做不到的，只能做到降低共振峰值、傳遞率和相關(guān)耦合率。本文對(duì)動(dòng)車組中使用的半包間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，從而證實(shí)其滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)要求，可為以后新車型的設(shè)計(jì)提供參考。

2 半包間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

2.1 間壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)車組半包間設(shè)計(jì)采用多級(jí)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以保證安裝和檢修方便。例如間壁玻璃破損后，整個(gè)模塊更換時(shí)間大約20分鐘。其總體如圖1所示，分為間壁模塊1、間壁模塊2、間壁模塊3和間壁模塊4。

圖1 半包間組成

圖2 半包間間壁

每個(gè)模塊可以單獨(dú)安裝，且下面的子模塊可以單獨(dú)拆卸和維修。如圖2所示，間壁模塊4的子模塊中間壁部分包括間壁41、間壁42和連接立柱43，連接立柱43型材帶有凹槽，間壁41和42型材帶有凸起，間壁41通過(guò)43和42連接成為一個(gè)整體，并采用螺栓連接。若其中任一破損均可單獨(dú)拆下維修。間壁采用鋁型材和雙層鋼化夾膠夾絹玻璃組成，玻璃與鋁型材采用膠接技術(shù)，上部覆蓋板以及下部檢修板等相關(guān)附屬部件與鋁型材采用3M尼龍搭扣連接方式，夾絹玻璃膠接結(jié)構(gòu)和3M尼龍搭扣連接方式既保證設(shè)計(jì)的美觀性能，強(qiáng)度要求，又可以減少列車振動(dòng)沖擊對(duì)間壁部件的影響。

2.2 門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

半包間采用電控電動(dòng)雙開(kāi)內(nèi)藏式移門，如圖3所示，主要包括門扇、控制系統(tǒng)、門機(jī)構(gòu)和門檻部件等，各個(gè)部分采用模塊化設(shè)計(jì)，便于安裝和維修。門扇采用鋼化夾膠夾絹玻璃組成，門扇前沿設(shè)有防撞結(jié)構(gòu)。門機(jī)構(gòu)分為動(dòng)力部分和非動(dòng)力部分。動(dòng)力部分帶有門控器、電機(jī)、門導(dǎo)軌等。非動(dòng)力部分不帶門控器和電機(jī)，動(dòng)力部分和非動(dòng)力部分通過(guò)鋼絲繩連接，通過(guò)鋼絲繩動(dòng)力部分帶動(dòng)非動(dòng)力部分協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。門系統(tǒng)具有自動(dòng)、手動(dòng)和隔離等功能。

圖3 門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 與車體底架連接結(jié)構(gòu)

圖5 與車體側(cè)墻連接結(jié)構(gòu)

2.3 外部接口設(shè)計(jì)

半包間與車體的接口采用柔性連接的方式進(jìn)行，主要的連接部位為車體地板和車體側(cè)墻，與車體底架的連接結(jié)構(gòu)如圖4所示。半包間底部鋁型材安置在木地板上，通過(guò)螺栓與支架上的活螺母緊固，支架與支架鋁板采用螺栓緊固件連接，支架鋁板焊接在車體鋁底架上。在木地板與支架、支架與支撐鋁板之間安裝有彈性膠墊。此種結(jié)構(gòu)使半包間與車體底架之間具有良好的柔性，減少車體振動(dòng)沖擊對(duì)半包間結(jié)構(gòu)的影響。

半包間與車體側(cè)墻的連接結(jié)構(gòu)如圖5所示。半包間側(cè)部鋁型材通過(guò)連接支架與車體側(cè)墻連接。采用螺栓將連接支架緊固在車體的安裝架上，鋁型材與連接支架采用螺栓與卡式螺母連接，在緊固過(guò)程中，預(yù)緊力為一定值，保證卡式螺母在開(kāi)口內(nèi)可以有微量的滑動(dòng)。此種結(jié)構(gòu)近似為柔性連接，可以減少由于車體內(nèi)外壓差引起車體橫向變形對(duì)半包間的影響。

3 半包間振動(dòng)模態(tài)分析

3.1 模態(tài)分析簡(jiǎn)介

模態(tài)分析就是以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)、以模態(tài)參數(shù)為目標(biāo)的分析方法，其經(jīng)典定義是：將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)參數(shù)主要包括模態(tài)頻率（固有頻率）、模態(tài)向量（振型）、模態(tài)阻尼（阻尼系數(shù)）以及模態(tài)質(zhì)量等。模態(tài)分析的目的是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.2 有限元模態(tài)仿真分析建模與參數(shù)

本文采用有限元法對(duì)動(dòng)車組半包間三維模型進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，采用的模型為solidworks三維軟件繪制的實(shí)體模型。采用有限元分析軟件MSC/Patran、Nastran進(jìn)行分析和處理。材料參數(shù)如表1所示。

根據(jù)實(shí)際安裝情況，按照包間個(gè)各間壁與周圍部件的接口方式進(jìn)行施加全約束。

3.3 有限元仿真分析結(jié)果

采用振型疊加法，為得到精確的仿真結(jié)果，要保證在振動(dòng)主方向上的總質(zhì)量超過(guò)模型中可運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的90%，仿真中提取了四種模型的前三十階固有頻率和振型。其中前6階固有頻率和前4階振型如下：

間壁模塊1、2、3、4的前6階固有頻率詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表2。

間壁模塊的一至四階振型分別如圖6至9所示。

圖6 間壁模塊5一階振型

圖7 間壁模塊1二階振型

3.4 仿真結(jié)果分析

通過(guò)表2，以及圖6至9可以看出，對(duì)于固定點(diǎn)和方式相同的間壁質(zhì)量大的其同階共振頻率比較大。最低模態(tài)頻率f為20.532Hz（列車自身頻率為10～13Hz），高出列車自身頻率的1.5倍以上，有效避免了共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。現(xiàn)列車已經(jīng)在京滬高鐵運(yùn)輸線上運(yùn)行，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中并未產(chǎn)生共振現(xiàn)象，而且由于在實(shí)際安裝過(guò)程中采取柔性連接，進(jìn)一步避免了共振的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)半包間結(jié)構(gòu)的研究分析，并采用有限元模態(tài)分析的方法對(duì)其三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到其可以滿足高速動(dòng)車組運(yùn)行環(huán)境的要求，可以保證其運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)沖擊對(duì)其性能的影響。并得到如下結(jié)論：

（1）此種結(jié)構(gòu)半包間振動(dòng)最低模態(tài)頻率為20.532Hz，遠(yuǎn)高于列車自身頻率10～13Hz，有效避免了共振現(xiàn)象的

產(chǎn)生。

（2）由于仿真分析是建立在車體剛性連接的基礎(chǔ)上，實(shí)際過(guò)程中，半包間與車體采用柔性技術(shù)連接，更進(jìn)一步保證了車體振動(dòng)變形對(duì)其強(qiáng)度和振動(dòng)方面的影響，可以滿足列車的舒適性能。

圖8 間壁模塊1三階振型

圖9 間壁模塊1四階振型

（3）通過(guò)對(duì)半包間結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能的仿真分析，為進(jìn)一步對(duì)半包間等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供了理論依據(jù)。

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