某地鐵車輛車體的試驗模態(tài)分析

李文強+徐冠基+呂曉鵬

摘要：模態(tài)分析是對地鐵車輛車體進行動態(tài)性能分析的一個重要的方法，是動力學分析的一個重要的方面。據此，采用多點激振多點拾振的方法對某地鐵車輛白車身進行了模態(tài)測試，并通過MAC矩陣對試驗結果進行了驗證，對地鐵車輛車體、懸掛設備件及其轉向架等相關設備的設計與選用提供了依據。

關鍵詞：試驗模態(tài)分析；MIMO；模態(tài)置信準則

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.06.091

0引言

當高速動車組等軌道交通車輛運行時，由于運行軌道的狀況以及運行過程中空氣阻力等載荷的影響，會導致列車車體及相關部件的隨機振動。若外部載荷的激振頻率與車體或部件的固有頻率接近時，就有可能引起共振，這不僅會對車上乘客的乘坐體驗產生影響，嚴重情況下還會對車體及車載設備產生破壞，誘發(fā)嚴重事故，影響軌道交通車輛的安全性能，因此對車輛動力學的設計是軌道交通設計與生產中的重要方面。而在軌道交通車輛的動力學的設計中，模態(tài)分析是對機械結構進行分析的一個重要方面。模態(tài)是機械結構在外部激勵下對各個頻率的動態(tài)響應，是結構本身所固有的振動屬性。

1試驗模態(tài)分析基礎理論

2試驗模態(tài)方法

試驗模態(tài)分析是通過在實驗室對被測樣品進行激勵，同時采集其響應信號，并對其進行FFT變換求得其頻響函數（傳遞函數）或脈沖函數，通過擬合得到所測系統(tǒng)的模型；最后運用參數識別的方法，計算出結構系統(tǒng)的模態(tài)參數信息，從而建立機械結構動態(tài)模型，為機械結構進行動力學分析及機械設計與改進提供支撐于依據。

正則振型試驗法（NMT）和頻響函數法（FRF）是試驗模態(tài)分析的兩種不同試驗方法：本文采用FRF頻響函數法對地鐵車體做模態(tài)試驗分析。該方法將振動激勵和其響應的時域信號數據經快速傅里葉變換FFT轉化為頻域數據，對所建立的機械結構頻響函數的數學模型進行曲線擬合，從頻響函數求出所測系統(tǒng)模態(tài)參數，具有測試時間短且能夠同時激勵出全部模態(tài)的優(yōu)點。而由于地鐵車輛車體具有體積和質量較為龐大且結構較為復雜等特點，選用多點激勵多點采集（MIMO）的模態(tài)試驗方案，重點關注車體在垂向激勵下的一階模態(tài)。試驗系統(tǒng)由計算機、數據采集系統(tǒng)、功率放大器、激振器、傳感器及被測對象等幾部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示，所用到的測試儀器如表1所示。

采用四個激振器垂向激振，激振位置分別位于地鐵車體一位端和二位端的枕梁位置兩側。傳感器如圖2所示進行布置，粘貼于地鐵車體表面，同激振方向保持一致。

對于地鐵車輛的支撐方式，用四個橡膠堆支撐于車輛的一系簧位置，保證車體的穩(wěn)定，并模擬車體的自由-自由邊界狀態(tài)。激勵時，根據相關標準要求及經驗，地鐵車輛的車體模態(tài)測試中采用0-40Hz的白噪聲進行激勵。

4試驗結果

以上文中試驗方法進行試驗。圖3所示為地鐵車輛某一斷面測點相干性。從圖中可以看出在所關注的頻率范圍內的相干性較好。

相干性試驗測得地鐵車輛的頻率及其振型描述如表2所示，其部分振型示意圖如圖3至圖8所示。

5試驗結果驗證

在試驗模態(tài)分析中，任何試驗測試的結果因試驗中操作以及安裝、工裝等的差異均與實際情況有所差別，存在一定誤差，故采用模態(tài)判定準則（MAC）進行試驗結果驗證。

MAC是用于比較不同組估計振型或研究同一組中各個估計模態(tài)的正確性的工具，MAC矩陣中含有不同模態(tài)向量對的MAC值。若其描述同一物理振型的估計，則模態(tài)判定準則應接近于100%或1，而描述不同振型估計的兩個向量的模態(tài)判定準則在理想狀態(tài)下應該為0，而實際中一般較?。ㄐ∮?0%）。

如圖10所示，為本次測試的MAC矩陣。由表中可知，同一模態(tài)的模態(tài)判定準則為100%，而不同模態(tài)之間的模態(tài)判定準則均小于10%，說明本次試驗結果可信。

6總結

模態(tài)分析是機械結構動態(tài)特性分析中較為常用的方法，在產品的動力學分析與設計、結構的振動與噪聲控制方面具有重要作用。本文采用的多點激振多點拾振的方法所進行的某地鐵車體的模態(tài)測試，測試結果具有較強準確度與可信性。

參考文獻

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