動車組車體車門設(shè)計及模態(tài)性能改進

張軍，王建華，兆文忠

(大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

動車組車體車門設(shè)計及模態(tài)性能改進

張軍，王建華，兆文忠

(大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

車體模態(tài)頻率是影響車體性能的重要動力學(xué)參數(shù)，車體模態(tài)計算和分析是設(shè)計過程中的重要內(nèi)容.建立了城際動車組鋁合金車體有限單元模型,用有限單元法計算了車體模態(tài)，分析了車門位置、車門高度、車門寬度、中間車門與窗口之間的距離對車體模態(tài)頻率的影響.研究表明:車門位置、高度均對車體模態(tài)有較大影響，兩端車門向車體兩端移動可以提高車體一階垂彎模態(tài)頻率，降低中間車門高度可以明顯提高車體一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率.通過重新布置車門位置、修改車門尺寸及門框結(jié)構(gòu)，在保證車體重量不變的情況下使車體模態(tài)頻率得到了較大提高.

動車組；鋁合金車體；有限元法；車門；模態(tài)頻率

0 引言

高速動車組車體主要采用拉伸鋁型材, 這種材料結(jié)構(gòu)具有輕量化、耐擠壓等多種特點,越來越多的應(yīng)用在高速動車組上，用這種型材構(gòu)建的車體為筒形整體承載式結(jié)構(gòu)，既將底架、側(cè)墻、端墻壁及車頂牢固地組成為一整體，成為開口或閉口的箱形結(jié)構(gòu)，車體各個部分均能承受載荷的車體結(jié)構(gòu)[1- 3].車體承受垂向、縱向拉伸、縱向壓縮、扭轉(zhuǎn)、氣密、各種組合工況的綜合作用.在復(fù)雜載荷的綜合作用下要求車體滿足強度、剛度、模態(tài)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求.尤其車體模態(tài)需要滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，即純空車一階垂彎模態(tài)頻率要大于17 Hz的要求，整備車一階垂彎模態(tài)頻率要大于10 Hz的要求[4- 5].車體模態(tài)頻率是車輛最重要的動力學(xué)參數(shù)之一，不合理的模態(tài)參數(shù)，不但影響車輛運行中的振動特性，而且影響車輛的乘坐舒適性[6- 7].文獻[8]通過計算和試驗分析了車體不同配重對車體一階垂彎模態(tài)頻率的影響，研究表明隨著配重的增加車體一階垂彎模態(tài)頻率降低；文獻[9]分析了車體不同位置板厚度對模態(tài)頻率的影響，分析了車體前三階模態(tài)頻率隨不同位置板件厚度的變化規(guī)律，為改進車體模態(tài)設(shè)計提供了借鑒和參考.

本文針對某城際動車組車體模態(tài)頻率低的問題，通過改進車門位置和尺寸，分析了車體前三階模態(tài)頻率隨車體位置、車門高度、車門寬度、門框結(jié)構(gòu)形式對車體模態(tài)頻率的影響，通過重新布置門的位置和尺寸使車體模態(tài)頻率得到了提高.

1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析基本理論

車體模態(tài)頻率和振型是車體最重要動力學(xué)參數(shù)，計算車體模態(tài)頻率和振型是車體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的重要內(nèi)容，計算和分析的目的是驗證車體模態(tài)是否與激勵頻率或者其它結(jié)構(gòu)存在共振，并采取相應(yīng)性控制措施.模態(tài)計算一般使用有限單元法，有限單元法是最廣泛使用的數(shù)值方法.車體結(jié)構(gòu)經(jīng)過有限單元法離散后，可以得到用矩陣表示的車體動力方程，表示為x

(1)

(2)

車體自由振動為簡諧振動，即向量{x}可以表示為{x}={X}eiωt,{X}為車體振型向量，{X}實際上為車體振動幅值向量，ω為車體振動角頻率；代入式(2)，得車體振動的特征方程為

(3)

求解上式可以得到車體各階模態(tài)對應(yīng)的特征值ωi，則車體模態(tài)振動頻率為fi=ωi/2π.

2 車體有限單元模型及車門修改方法

為了快速實現(xiàn)對車門位置及尺寸的修改，采用參數(shù)化建模方法，利用ANSYS的參數(shù)化建模語言APDL建立車體中面參數(shù)化幾何模型[10]，將車體中面模型導(dǎo)入到HYPERMESH建立有限單元模型，這種方法綜合利用了ANSYS能快速建立車體不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的中面模型和Hypermesh高性能的有限網(wǎng)格生成功能，實現(xiàn)了快速建立具有不同位置和尺寸車門的車體有限單元模型，提高了建模效率.參數(shù)化建立的初始車體中面模型如圖1所示.模型中將車門位置車寸、車門高度車寸、車門寬度等尺寸設(shè)置為可修改的參數(shù).

圖1 參數(shù)化車體中面模型

初始車體有限單元模型如圖2所示，車體共劃分493 721個有限單元，采用三角形和四邊形

(b)局部有限元模型

單元，以四邊形單元為主，單元邊長約為50 mm.由于對車門位置及尺寸進行了修改，重新建立的模型中有限單元的數(shù)量發(fā)生了較小變化，但總體數(shù)量在493 000左右.

3 初始車體模態(tài)計算

車體模態(tài)計算用整車模型，初始車體前4階模態(tài)頻率被列在表1中，前4階振型如圖3所示.

表1 模態(tài)振型及頻率

(a)一階菱形 (b)一階垂彎

(c)一階扭轉(zhuǎn) (d)一階呼吸

圖3 車體前4階模態(tài)振型

表1表明,該車鋁合金車體一階垂彎模態(tài)頻率為14.85 Hz,小于17 Hz的要求,需要通過結(jié)構(gòu)修改使其提高,以滿足相關(guān)要求.

4 車門對車體模態(tài)影響分析

4.1 車門位置對模態(tài)頻率的影響

車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)及車門如圖4所示，圖4和圖1表明該車體有3個車門，圖1中車門位置為車門初始位置，車門1、車門3在兩端，距離為L1=16 548.8mm，車門2在中間，定位車門2的L2=8 273.8mm.為了研究車門位置對車體模態(tài)頻率的影響，考慮了兩個方案，一是只將車門1、3對稱向車體兩端移動，移動后L1=19 160.6mm，即將車門1、3之間距離增大2 611.8mm；二是同時在移動車門1、3的同時，將車門2向左側(cè)移動，L2由原來的8 273.8mm減小到7 606.9mm.修改后車門位置如圖4所示.車門位置修改后模態(tài)頻率分別列在表2和表3中.

圖4 車門位置

方案原始改變后方案原始改變后1階12.8712.614階17.8717.902階14.8515.78車重/t9.979.983階16.4217.20

表3 三個車門同時改變時車體模態(tài)頻率 Hz

表2、表3表明，將兩端的車門同時向外側(cè)移動可以大幅提高車體的二階和三階模態(tài)頻率，但是會導(dǎo)致一階模態(tài)頻率小幅減小.由表2數(shù)據(jù)可以看出，二階模態(tài)頻率提高了0.93 Hz，三階模態(tài)頻率提高了0.78 Hz，車體重量幾乎沒有變化；將三個門同時移動對一階到三階的模態(tài)頻率都有所提升，但是對二階模態(tài)頻率的提升幅度不如單獨移動兩個車門的方案大.對4階模態(tài)頻率影響相對較小.

4.2 車門高度對車體模態(tài)頻率的影響

車門高度主要是修改中間車門的高度，該動車組車體由于設(shè)置了中間門3導(dǎo)致車體中部剛度較低，車門1、2的尺寸對車體模態(tài)的影響可以忽略，圖5為車門3修改方案及尺寸示意圖.主要研究了四個方案，一是在只移動車門1、3的基礎(chǔ)上降低車門2的高度H，由原來的2 061.6mm降低到1 903.3mm；二是在只移動車門1、3的基礎(chǔ)上，在車門2(中間車門)上部增加門框結(jié)構(gòu)，門框結(jié)構(gòu)的斷面如圖6所示；方案三和四分別是在3個車門同時移動的基礎(chǔ)上降低車門2高度和增加車門2上面的門框結(jié)構(gòu).修改后車體模態(tài)頻率被列在表4中.

圖5 車門3修改方案及尺寸

圖6 增加的門框斷面圖

方案原始12341階12.8712.6112.6312.9512.952階14.8515.7815.7815.5715.573階16.4217.6717.7517.8117.814階17.8718.1017.9518.2818.28車重/t9.9710.0110.0110.01710.017

將中間門高度降低，無論是單純降低門的高度，還是通過加橫框的方法降低，對車體的一階和二階模態(tài)頻率都幾乎沒有影響，但是會提高三階模態(tài)頻率.但是該方法會導(dǎo)致車體的三階模態(tài)的振型發(fā)生改變，即三階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率提高，使扭轉(zhuǎn)模態(tài)出現(xiàn)在第4階模態(tài)，而原來的第4階呼吸模態(tài)現(xiàn)在成為第3階模態(tài).可見降低車門高度或者增加車門2上部的門框結(jié)構(gòu)可以顯著提高車體扭轉(zhuǎn)剛度，使車體1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率得到明顯提高.

4.3 車門寬度對模態(tài)頻率的影響

將圖5中的車門2寬度W減小100mm，由原來的1 500mm減小到1 400mm，在車門1、3向兩端移動、中間車門位置不變基礎(chǔ)上對車門2寬度進行修改，修改后車體模態(tài)頻率如表5所示.

表5 車門寬度修改后車體模態(tài)頻率 Hz

表5表明，減小中間車門的寬度可以提高車體扭轉(zhuǎn)剛度，使扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率明顯提高，但對1、2階模態(tài)頻率影響較小.

4.4 車門與車窗間距對模態(tài)頻率的影響

為了研究車門與車窗間距離及車窗與車窗間距離對車體模態(tài)的影響，將圖7中橢圓內(nèi)的結(jié)構(gòu)加寬，具體修改方法如下：將車窗1、2右側(cè)邊向左移動100 mm，將車窗3、4的左側(cè)邊向右移動100 mm.修改是在車門1、3向兩端移動、車門2不變、車門寬度和高度均不變的基礎(chǔ)上進行.修改后車體模態(tài)頻率被列在表6中.

圖7 中間車門及車窗間布置

方案原始改變后方案原始改變后1階12.8712.94階17.8718.852階14.8515.98車重/t9.9710.033階16.4217.39

表6與表2比較表明， 將車門與車窗間距及車窗與車窗間增加后，車體前4模態(tài)頻率均有提高，一階垂彎模態(tài)頻率提高了0.2 Hz，3、4階模態(tài)頻率分別提高了0.19 Hz和0.95 Hz，取得了較好的效果.

5 結(jié)論

本文建立了某城際動車組鋁合金車體車參數(shù)化有限單元模型，計算了車體模態(tài)，計算分析了車門位置、尺寸、結(jié)構(gòu)等改變對車體模態(tài)頻率的影響，得到如下結(jié)論 ：

(1)將兩端車門向車體兩端移動可以顯著提高車體1階垂彎模態(tài)頻率，在不增加車體重量的前提通過移動兩端車門使車體1階垂彎模態(tài)頻率提高了0.93 Hz；

(2)降低車體中間車門高度或者增加車門頂部門框結(jié)構(gòu)可以顯著提高車體扭轉(zhuǎn)剛度，因而提高了車體1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率，1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)原來是車體的第3階模態(tài)，通過降低車門高度使車體扭轉(zhuǎn)模態(tài)變成了車體的第4階模態(tài)，1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率提高了大約1 Hz，但降低中間車門高度對1、2階模態(tài)頻率影響較小；

(3)減小中間車門寬度同樣對提高車體1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)(第3階模態(tài))效果較好，對提高車體1、2階模態(tài)效果 較??；

(4)增大中間車門與車窗及車窗與車窗間距可以提高車體第2階(1階垂彎)、第3階(1階扭轉(zhuǎn))和第4階(1階呼吸)模態(tài)頻率，對提高車體第3階和第4階模態(tài)頻率效果較好；

(5)通過對車門位置、車門尺寸及結(jié)構(gòu)等的重新設(shè)計，結(jié)合車體截面修改、優(yōu)化設(shè)計等措施，提高了車體模態(tài)頻率，尤其在保證車體重量不增加的情況下使純鋁合金車體1階垂彎模態(tài)頻率滿足了大于17 Hz的要求，提高了車體性能.

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Research on Door Design and Modal Performance Promotion for EMU Bodwork

ZHANG Jun,WANG Jianhua,ZHAO Wenzhong

(School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

A finite element model of a EMU bodwork is established, and the bodywork modals are extracted by using finite element method. The changes of modal frequencies along with the door position, door height, door width and distances between doors and windows are analyzed. The results show that the door position and door height have significant effect on the bodwork modal frequencies. The first order bending mode frequency can be increased by moving the end doors to the vehicle ends, and the first order torsion mode frequency can be improved by reducing the height of the middle door. The modal frequencies of bodywork are well improved by making over the door position, door height and door structure, etc, and meanwhile the bodywork weight is not added.

EMU bodywork; finite element method; door; modal frequency

1673- 9590(2017)01- 0017- 05

2016- 01- 05

中國鐵路總公司科技計劃資助項目(2014J004-O)；牽引動力國家重點實驗室開放課題資助項目(TPL1402)

張軍(1964-)，男，教授，博士，主要從事車輛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、聲學(xué)仿真及噪聲控制方面的研究工作E-mail:zhj@djtu.edu.cn.

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