高速列車復合材料地板振動性能分析

鄭路　周勁松　孫文靜　石晨

摘要： 為分析不同復合材料高速列車地板減振性能的差異，對其進行力學性能測試，分別采用多層疊混合模型及單層模型計算復合結(jié)構(gòu)材料的等效參數(shù)并驗證.建立包含內(nèi)裝地板的高速列車車體有限元模型；基于實車線路測試結(jié)果，以車體底架振動加速度信號作為地板瞬態(tài)響應激勵，計算復合地板材料結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)振動響應及振動傳遞率，得到不同復合材料地板的振動特性.研究結(jié)果表明：樺木芯材優(yōu)于榿木芯材；外層面板厚度的增加使得地板的減振性能增強，但過大會導致減振性能下降；不銹鋼面板比鋁合金面板地板結(jié)構(gòu)固有頻率低且質(zhì)量較大，不利于車體輕量化設計.

關鍵詞： 高速列車； 復合材料地板； 力學性能測試； 等效材料特性參數(shù)； 減振

中圖分類號： U270.11文獻標志碼： B

Analysis on vibration performance of composite material

floor of highspeed train

ZHENG Lu， ZHOU Jinsong， SUN Wenjing， SHI Chen

（Institute of Railway&Urban Rail Transit， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract： To analyze the vibration reduction performance of different kinds of composite material floors of highspeed train， the mechanical performance tests are performed on the structures， and the equivalent parameters of the composite material floor are calculated using multilayer model and single layer model separately and validated. The finite element model of a highspeed train body which includes inner decoration floor is built； based on the test data of real train on line， the vibration accelerations of train body underframe is considered as the excitations of transient response and the transient vibration response and vibration transfer rate are calculated for the composite material floor structures， and the vibration property of different composite material floors are obtained. The results show that， the core material of birch is better than that of alder； the vibration reduction performance is improved with the increase of outer panel thickness， but it decreases if the panel is too thick； the natural frequency of stainless steel panel floor is lower than that of aluminum alloy panel floor and not conducive to light weight design because of its bigger mass.

Key words： highspeed train； composite material floor； mechanical performance test； equivalent material property parameters； vibration reduction

0引言

隨著我國高速列車運行速度不斷提高，振動和噪聲問題日益突顯，車體零部件材料和減振結(jié)構(gòu)的選擇十分重要.[1]由于地板是轉(zhuǎn)向架與車體內(nèi)部的接口，乘客與地板直接接觸，地板振動劇烈會顯著降低乘客乘坐的舒適性，因此其結(jié)構(gòu)振動性能研究尤為重要.目前，我國高速列車內(nèi)裝地板廣泛采用復合材料[23]，該類型地板質(zhì)量較輕并可在一定程度上增加地板剛度.國內(nèi)外專家學者對地板減振措施進行一定程度的研究，如：雷曉燕等[4]和王瑞乾等[5]研究的列車鋁型材地板噴涂阻尼材料可顯著提高地板的模態(tài)阻尼比，在不同頻段降低地板的振動；張玉萍等[6]設計合理剛度的地板減振器，在頻率上避開對乘客舒適度影響較大的局部振動頻率段以避免共振；苗新芳[7]提出在高速列車上使用新型的內(nèi)裝材料，中間地板選用復合材料以起到減振降噪的作用.這些措施均取得一些效果，但均是通過附加的剛度阻尼材料來實現(xiàn)的.

目前，復合材料在高速列車上應用廣泛，但不同的復合地板材料及結(jié)構(gòu)本身對列車地板振動特性影響及其規(guī)律尚不明確.基于此，本文以國內(nèi)某型高速列車為研究對象，針對16種不同的復合材料地板結(jié)構(gòu)測試其力學特性，依據(jù)測試結(jié)果進行多層材料有限元模型參數(shù)等效并驗證，建立包含復合材料地板特性的完整車體振動仿真模型，再以線路實測信號為輸入，利用該模型對不同地板的振動特性進行計算，為今后高速列車復合地板材料結(jié)構(gòu)選擇提供參考.

1地板結(jié)構(gòu)力學性能測試

本文研究的復合材料地板屬于典型的層合板結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)一般由2層以上的單層板粘合在一起，組成整體的受力結(jié)構(gòu)元件.層合板結(jié)構(gòu)各單層的材料、厚度和彈性主方向可以互不相同，具有各向異性特征.這16種地板分別由不同材料的面板（不銹鋼與鋁合金）、芯材（樺木與榿木）以及橡膠單元以不同的厚度組成，其中一個樣件見圖1.

為得到內(nèi)裝地板復合結(jié)構(gòu)材料特性參數(shù)，首先針對廠商提供的16種復合地板材料進行力學性能測試，依據(jù)測試結(jié)果進行有限元建模參數(shù)等效.

對地板樣件進行三點彎曲、抗壓強度和抗拉強度等試驗.以三點彎曲試驗為例，依據(jù)標準《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗方法：GB 1456—2005》，通過夾層結(jié)構(gòu)長梁試樣的三點彎曲試驗測定面板的彎曲強度；通過夾層結(jié)構(gòu)短梁試樣的三點彎曲測定芯材的剪切強度；通過夾層結(jié)構(gòu)短梁試樣的外伸梁三點彎曲測定彎曲剛度和剪切剛度.試驗加載方式及現(xiàn)場測試見圖2和3.同時，還進行抗壓強度試驗和抗拉強度試驗.

2復合材料結(jié)構(gòu)參數(shù)等效

2.1等效參數(shù)計算

根據(jù)測試得到復合材料樣件的各項力學性能參數(shù)，如面板的彎曲強度及彈性模量、各層芯材剪切強度及模量、彎曲剛度和平壓平拉強度等.在有限元模型建立過程中，需要知道復合材料的整體密度和彈性模量.其中，復合地板的整體密度可以通過質(zhì)量與體積之比求出，但力學性能測試中不能直接測出材料整體的彈性模量，因此需要根據(jù)測試得到的復合地板各層不同材料抗彎剛度曲線，經(jīng)過計算得到整體結(jié)構(gòu)的抗彎彈性模量.

為減小誤差，每組材料選取5組樣件，根據(jù)其位移載荷數(shù)據(jù)取平均值，繪制該復合材料結(jié)構(gòu)的抗彎剛度曲線.考慮到實際振動中地板結(jié)構(gòu)變形較小，處于線性范圍內(nèi)，因而在計算時根據(jù)500～3 000 N載荷區(qū)間的抗彎剛度曲線計算復合材料樣件的等效彈性模量.結(jié)構(gòu)的位移、載荷及材料特性參數(shù)的關系為f=Fl348EI （1）式中：f為樣件中點的位移，mm；F為對應位移值的載荷，N；l為結(jié)構(gòu)跨距，mm；E為樣件等效彈性模量，MPa；I為樣件慣性矩，mm4.本試樣形狀為長方體，長600 mm，寬60 mm，高22 mm，其截面慣性矩I=112×60 mm×（22 mm）3=53 240 mm4 （2）將式（2）代入式（1）中，可得樣件的彈性模量為E=Fl348fI=84.52Ff （3）F/f即為抗彎剛度曲線的斜率.

2.2等效模型建立和參數(shù)驗證

為保證有限元仿真的準確性，在復合材料建模時廣泛采用混合模型，即將復合材料分成若干層，每一層材料屬性均為各向異性且可以選擇不同的單元類型，如層單元、殼單元及連續(xù)實體單元等，在仿真時可根據(jù)實際問題選擇最佳方案.有限元軟件Abaqus可以較好地模擬復合材料的固化變形問題，且在處理非線性問題方面表現(xiàn)出眾，故采用Abaqus進行多層混合模型的建模.本文研究的每種復合材料地板模型均包含3種材料，即鋁合金/不銹鋼、木材、橡膠.由于實際振動中結(jié)構(gòu)變形很小，處于線性范圍內(nèi)，故將鋁合金/不銹鋼和木材簡化為各向同性的線性材料，橡膠簡化為超彈性材料，采用MooneyRivian模型進行建模.對照實際地板結(jié)構(gòu)，采用模型層疊方式，共18層結(jié)構(gòu)，其中第1層和第18層為鋁合金或不銹鋼的外層面板，第14層為橡膠，其余層為紋路方向呈90°的木材（樺木或榿木）.有限元模型中的加載方式與結(jié)構(gòu)力學性能測試加載方式一致，見圖4.采用該混合模型還可以得到復合地板結(jié)構(gòu)的材料特性曲線.為降低建模難度并減少計算量，對混合模型進一步簡化.由于層合板本身屬于板狀結(jié)構(gòu)，因此將其簡化為與實際厚度相同的殼單元可以有效降低建模的復雜程度并提高計算效率，據(jù)此將地板的層合板結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)化為單層的殼單元模型[8].將計算得到的多層疊混合模型和單層簡化模型的等效結(jié)果與測試結(jié)果進行比較，見圖5.

由圖5可知：試驗結(jié)果與2種模型的仿真結(jié)果在線性區(qū)域內(nèi)斜率基本一致，即2種模型得到的復合地板材料的抗彎剛度一致.在高速列車運行過程中，地板變形位于彈性變形范圍內(nèi)，因此可認為該等效參數(shù)合理.綜合考慮模型準確性與計算量，選擇在后續(xù)仿真中采用等效后的單層地板模型進一步分析計算.

3車體復合材料地板振動特性分析

3.1車體有限元模型建立

以國內(nèi)某型高速列車為研究對象，頭車包括司機室、觀光區(qū)和車廂3個部分.根據(jù)車輛三維幾何模型，建立車體有限元模型.為保證計算精度并提高計算速度、適當減小模型計算量，在觀光區(qū)車廂建立包含車輛內(nèi)裝的有限元模型，包括頂板、間壁、中頂板和地板4部分，包含地板結(jié)構(gòu)在內(nèi)的觀光區(qū)車體有限元模型見圖6.

針對觀光區(qū)地板結(jié)構(gòu)進行計算和測試分析，其他車體部分則采用不包含內(nèi)裝地板的白車身結(jié)構(gòu).在有限元模型中，車體為板狀結(jié)構(gòu)，通過殼單元進行模擬，以4節(jié)點的殼單元進行離散.

將觀光區(qū)車體模型與其他部位車體模型進行裝配，組成完整的車體有限元模型.觀光區(qū)內(nèi)裝地板與車體鋁合金結(jié)構(gòu)地板間安裝有橡膠減振元件，此處采用彈簧減振單元進行模擬.該區(qū)域中每個彈簧減振單元的剛度值為200 N/mm，阻尼值為0.02；觀光區(qū)中頂板和墻板與鋁合金車體之間通過螺栓固結(jié)，此處采用剛性單元與車體連接.完整的高速列車頭車車體有限元模型見圖7，共包含320 928個節(jié)點和414 222個單元.

3.2地板振動線路測試結(jié)果

為獲得瞬態(tài)響應計算時所需的激勵信號并與仿真模型對比，對高速列車觀光區(qū)進行地板振動線路測試，采集空簧上方枕梁、觀光區(qū)地板和車體底架上相應測點位置處的加速度時域信號，統(tǒng)計各測點的時域振動響應指標并通過頻譜分析其振動主頻.采集空簧上方的加速度，作為瞬態(tài)響應分析計算的輸入信號.對測試結(jié)果進行頻譜分析，結(jié)果見圖8.

3.3復合材料地板振動特性計算

仿真模型中設定6個輸出點，各輸出點的位置見圖9.其中，3號測點為車體底架，6號測點為觀光區(qū)地板.

以測試得到的350 km/h運行時的車體底架處的振動加速度作為激勵，分別選取表1中不同地板材料的有限元模型等效參數(shù)進行瞬態(tài)響應分析，地板上方（6號）測點響應計算結(jié)果的時域指標統(tǒng)計見圖10.比較1～16號的復合材料地板結(jié)果可知：9～16號的不銹鋼面板材料地板的振動加速度響應值比同尺寸的1～8號鋁材料面板的地板更大；榿木芯材地板的加速度響應比同尺寸的樺木地板更大；對于相同面板材料且相同芯材的地板，隨著面板的厚度的增加，加速度響應通常會增大，面板厚度在0.8 mm左右時，振動加速度響應最小.a）有效值統(tǒng)計b）最大值統(tǒng)計

為進一步觀察地板的振動情況，以6號測點為例進行分析，對3，5，7，11，13和15號復合材料地板仿真計算結(jié)果進行頻譜分析，見圖11.在頻率低于20 Hz時，2種面板材料地板的振動能量基本相當；在頻率為20～35 Hz時，鋁合金面板地板的振動能量明顯小于不銹鋼面板地板；而在頻率為35～55 Hz時，不銹鋼面板地板的振動能量小于鋁合金面板地板.其他測點位置與測點6顯示一致的振動特性，此處不再描述.

a）面板材料對比

b）芯材對比

c）面板厚度對比

根據(jù)被動隔振理論[9]，不銹鋼面板材料由于質(zhì)量較大、固有頻率相對鋁合金面板材料低，低頻振動傳遞率大于鋁合金面板，因而對列車運行平穩(wěn)性指標具有不利影響[10].此外，由圖11可見：對于相同面板材料的地板，榿木芯材的振動能量在45～60 Hz范圍內(nèi)大于樺木芯材，而在低于45 Hz時兩者基本相同；對于相同面板相同芯材的地板，隨著面板厚度的增加，振動能量先減小后增大，在面板厚度為0.8或1.0 mm時，振動最小.

4結(jié)束語

基于復合材料力學性能測試結(jié)果進行有限元建模材料參數(shù)等效模擬，建立包含地板復合材料特性的車體仿真模型，依據(jù)線路實測信號進行地板振動特性計算，結(jié)果如下.

（1）利用力學性能測試結(jié)果進行復合材料地板的有限元模型等效建模方法合理；以實車線路測試的枕梁振動信號作為系統(tǒng)輸入，結(jié)合仿真模型計算，可以快速有效地實現(xiàn)對不同地板結(jié)構(gòu)的振動性能評估，相較以往的單一試驗方法更靈活便捷.

（2）綜合考慮振動加速度的大小以及在不同頻率段的差異，由于不銹鋼面板地板低頻振動能量和質(zhì)量均較大，不利于列車運行平穩(wěn)性，不利于車體輕量化設計，因此鋁合金面板材料更佳；對于芯材而言，榿木的振動加速度明顯大于樺木芯材；隨著面板厚度的增加，地板振動能量加大，但厚度過小則會導致結(jié)構(gòu)剛度不足，從而引起振動的加劇，面板厚度在0.8 mm左右能達到最好的隔振效果.

綜上所述，針對本文所研究的16種復合地板材料，減振性能最好的地板樣件編號為3號，其材料組成為鋁合金1.5 mm+樺木+鋁合金0.8 mm.參考文獻：

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（編輯武曉英）