動車組列車地板阻尼優(yōu)化仿真

陳艷　郭建強　趙艷菊

摘要：以某動車組安裝變壓器區(qū)域的車體地板為研究對象，針對車下設(shè)備引起的振動，使用LMS VirtualLab軟件，利用有限元分析等方法進行局部車體地板在隨機激勵下的振動響應(yīng)規(guī)律分析研究，通過仿真分析找出其振動傳遞規(guī)律，得出車體地板施加阻尼后隨機激勵振動的抑制規(guī)律，從而降低振動噪聲的輻射。

關(guān)鍵詞：阻尼優(yōu)化；振動響應(yīng)；結(jié)構(gòu)模態(tài)；仿真

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.06.088

1前言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和乘客對列車舒適度要求的日益提高，列車的振動噪聲特性已成為評判其整體性能的重要指標。如何有效的減少振動、降低車內(nèi)噪聲也成為了各個生產(chǎn)廠家共同關(guān)注的問題。

列車運行時，客室內(nèi)部的噪聲主要由外部傳遞而來的輪軌噪聲、空氣噪聲，以及客室內(nèi)部自身產(chǎn)生振動（包括車下設(shè)備振動）而引起的噪聲三部分組成。在設(shè)計階段，可通過對車室進行聲場分析和車身板塊貢獻度分析，找出車內(nèi)噪聲聲壓峰值處所對應(yīng)的振動頻率及該峰值下的“噪聲源”區(qū)域，為車身結(jié)構(gòu)的針對性修改提供參照。根據(jù)某動車組線路運行車內(nèi)外噪聲的測試結(jié)果，可以看出車下設(shè)備引起的振動噪聲，尤其是變壓器區(qū)域產(chǎn)生的噪聲對車內(nèi)噪聲有一定影響。針對這一問題，本文以該變壓器區(qū)域的車體地板為研究對象，通過粘貼阻尼的方法來抑制車體的振動，從而提升變壓器地板區(qū)域的減振降噪水平。

本文以公司提供的CAD圖紙為依據(jù)，在CATIA和Hypermesh平臺建立了較為完善的變壓器區(qū)域車體地板有限元模型，并在此基礎(chǔ)上利用LMS Virtual Lab軟件對其模態(tài)特性進行分析，利用獲取的相關(guān)模態(tài)頻率和模態(tài)振型為后期阻尼優(yōu)化設(shè)計方案提供建議。圍繞地板區(qū)域減振降噪這一目標和車體設(shè)計輕量化的要求，通過對比優(yōu)化前后結(jié)果，發(fā)現(xiàn)阻尼優(yōu)化處理后取得了較好減振降噪效果。

2仿真建模參數(shù)

2.1幾何參數(shù)

仿真模型截取溫州市域車安裝變壓器區(qū)域車體地板部分，其幾何尺寸為3.465m×3.118m，模型三維圖見圖1。

2.2材料參數(shù)

車體地板型材為鋁型材，仿真時采用鋁的材料參數(shù)，根據(jù)三維模型圖，測量不同部件的厚度并輸入最終模型中。假設(shè)型材結(jié)構(gòu)和阻尼層都是均質(zhì)且各向同性，采用的阻尼層密度為ρ=1500kg/m³，彈性模量采用頻段內(nèi)均值E=2.3e9Pa，泊松比為v=0.4896，厚度為10mm。型材結(jié)構(gòu)阻尼因子為O.001，阻尼層阻尼損耗因子為0.16（20℃）。

3仿真模型

仿真模型中型材結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬，阻尼層采用體單元模擬，阻尼層與型材之間采用共節(jié)點的方法模擬連接。單元尺寸為40mm，有限元模型共計40416個單元。如圖2所示。

4計算工況及邊界條件

4.1工況及約束條件

首先對地板結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，并輸出結(jié)構(gòu)的模態(tài)應(yīng)變能分布，確定阻尼層的布置位置。在保持阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)的參數(shù)不變的情況下，只改變阻尼層的敷貼面積，觀察阻尼減振效果。本次采用降低振動位移幅值為目標決定敷貼位置。局部敷貼時，假設(shè)阻尼層敷貼面積占型材上板面積的60%，計算此種敷貼方式下阻尼符合材料的振動特性，并與全敷貼方式進行比較。三種工況下約束均為在地板型材四周施加簡支約束。

4.2載荷條件

本次仿真采用實際試驗線路段，對安裝變壓器區(qū)域的實測數(shù)據(jù)為輸入數(shù)據(jù)，見圖3。由圖可知，在200Hz計算頻率內(nèi)，激振力在100Hz處達到峰值，且遠高于其他計算頻率處。將處理后數(shù)據(jù)作為模型輸入激勵數(shù)據(jù)。

5計算結(jié)果與分析

5.1模態(tài)分析

對地板結(jié)構(gòu)的模態(tài)進行分析并觀察其振型，前四階模態(tài)振型如圖4。

從圖4中可得知：地板斷面出現(xiàn)第一階模態(tài)（66.6Hz）時，位移幅值的最大點出現(xiàn)在地板中心處，并向板四周逐漸減小。地板斷面出現(xiàn)第二階模態(tài)時，兩側(cè)吊掛梁處變形最大，且由中心向兩邊逐漸減小。地板斷面出現(xiàn)第三階模態(tài)時，出現(xiàn)在200Hz計算頻率內(nèi)節(jié)點的最大位移幅值，出現(xiàn)在斷面兩側(cè)。地板斷面出現(xiàn)第四階模態(tài)時，斷面整體均有變形，最大值仍出現(xiàn)在第三階模態(tài)附近處。

通過觀察振型，確定貼阻尼片的位置，在地板中部敷貼60%阻尼以抑制其振動，作為比較，同時設(shè)置100%敷貼（全敷貼）工況。敷貼阻尼后的有限元模型見圖5。

對進行處理后的地板結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，原始地板斷面型材與處理后的阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)前4階固有頻率如表1。

由上可知：增加阻尼涂層后，系統(tǒng)基頻前移。

進行60%敷貼處理后的阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)前4階模態(tài)如圖6所示。

進行100%敷貼處理后的阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)前4階模態(tài)如圖7所示。

表2給出了地板斷面加阻尼前后前四階固有頻率時節(jié)點振動的位移幅值，從表中可以看出，斷面節(jié)點振動在前三階模態(tài)處的最大值均有減小。

5.2振動響應(yīng)分析

對10—200Hz計算頻率內(nèi)地板斷面施加阻尼貼片前后的振動特性做詳細分析：在地板中間及上下左右設(shè)置5個響應(yīng)點（如圖中1—5點）。觀察5個響應(yīng)點的垂向加速度響應(yīng)（幅值），并計算板的平均振動響應(yīng)，響應(yīng)點位置如圖8所示。

首先計算中心點（點1）處的振動響應(yīng)，結(jié)果如圖9所示。

通過觀察振型可知，點1位于一階模態(tài)中心位置，受一階振動影響最大。從圖中可知，兩種阻尼處理后的地板斷面都有效的避開了地板一階振動（66.6Hz）處的峰值。100Hz激振力最大值處，原始地板的振動響應(yīng)達到了，而阻尼處理后的地板均左右，將峰值減小了一半。

計算板的平均振動響應(yīng)，結(jié)果如圖10所示。

如圖10所示，阻尼處理后的地板在100Hz和150Hz兩個峰值處都由有效的消減作用，其中100Hz的峰值處由原來的減小到，150Hz處的峰值由原來的減小到。比較60%敷貼率和100%敷貼率兩種情況，除在145Hz處有的差值之外，其余曲線并無明顯變化，而前者的阻尼材料用量僅為后者的60%，達到了使用更少的阻尼材料取得較好減振效果的目的。

6結(jié)論

以某安裝變壓器區(qū)域車體地板為研究對象，采用有限元分析方法建立仿真模型，以實車試驗數(shù)據(jù)為激勵輸入，進行局部車體地板在振動激勵下的振動響應(yīng)規(guī)律研究。通過對比車體地板施加阻尼前后以及不同鋪設(shè)率的振動響應(yīng)計算結(jié)果，可以看出對車體粘貼阻尼片可以起到減振的效果，并且鋪設(shè)60%面積與全鋪設(shè)方式在頻率10—200Hz范圍內(nèi)減振效果相當(dāng)，且其阻尼用量比后者大大減少。