基于模型校準(zhǔn)的軌道車輛地板組合斷面振動傳遞規(guī)律研究

李海濤，竇曉亮,郭勤濤，陶言和

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000) (2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

隨著軌道車輛運(yùn)行速度的不斷提高，輪軌激勵的主頻呈線性增大趨勢，振動的高頻成分增多，容易引起主要結(jié)構(gòu)部件彈性振動的加劇，從而影響車輛的運(yùn)行品質(zhì)。輪軌耦合振動通過轉(zhuǎn)向架經(jīng)中央懸掛系統(tǒng)傳遞到車體，通過地板減振器進(jìn)一步向上傳遞到客室地板，因此研究振動傳遞過程中的振動幅值、主頻以及振動能量的變化規(guī)律，對于整車振動品質(zhì)的優(yōu)化有重要意義[1-2]。本文以軌道車輛地板組合斷面為研究對象，基于試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)以及有限元修正技術(shù)開展振動模態(tài)及傳遞規(guī)律研究。

1 模態(tài)試驗(yàn)研究

1.1 地板組合斷面

軌道車輛地板組合斷面包括復(fù)合材料客室地板、車體地板及地板橡膠減振器三部分，如圖1所示。地板橡膠減振器通過緊固螺栓與車體地板滑槽緊固，客室地板鉚接于地板橡膠減振器上表面，車體地板上、下表面均噴涂有約5 mm厚的阻尼漿。

圖1 軌道車輛地板組合斷面結(jié)構(gòu)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分別測試了復(fù)合材料客室地板和地板組合斷面結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)及傳遞關(guān)系。被試件采用剛度較小的彈性繩支撐，模擬自由狀態(tài)，如圖2(a)所示。組合斷面模態(tài)試驗(yàn)在車體地板和客室地板上、下對應(yīng)位置各布置96處法向測點(diǎn)，使其能夠準(zhǔn)確描述地板結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)振型，根據(jù)實(shí)際尺寸建立如圖2(b)所示的測試模型。

圖2 模態(tài)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用多個激振器同向多點(diǎn)隨機(jī)激勵法，激勵力為2～512 Hz范圍內(nèi)的猝發(fā)隨機(jī)激勵，數(shù)據(jù)分析采用20次猝發(fā)隨機(jī)激勵結(jié)果的平均值[3]。

2 復(fù)合材料客室地板有限元模型修正

2.1 修正方法

模型修正的目的是減小數(shù)值模型與實(shí)際模型之間的差異。數(shù)值模型的誤差主要有以下3類[4]：一是模型結(jié)構(gòu)誤差，如數(shù)值模型結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系的簡化誤差；二是模型參數(shù)誤差，包含模型尺寸、材料屬性、阻尼以及邊界條件等效的誤差；三是有限元仿真方法本身引入的誤差，由于有限元方法是將實(shí)際的連續(xù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，因此數(shù)值模型必然存在模態(tài)階次上的誤差。

針對上述問題，專家學(xué)者們在模型修正領(lǐng)域提出了很多方法[4-6]，按照修正對象的不同，可分為直接對結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣、剛度矩陣進(jìn)行修正的矩陣型修正方法和對結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行修正的參數(shù)型修正方法。

本文采用基于模態(tài)參數(shù)的模型修正方法，對結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜的復(fù)合材料客室地板進(jìn)行模型修正，并基于層合板理論開展模型等效簡化，在保證計算精度的條件下降低模型的復(fù)雜程度[7]。

2.2 修正過程

復(fù)合材料客室地板為層合板結(jié)構(gòu)。在有限元仿真建模時[8-9]，將客室地板沿厚度方向等效為三層，采用實(shí)體單元模擬中間隔音海綿層，賦予其三維各向異性材料特性，其初值設(shè)定后，便不再修正；上下各層材料通過層合板鋪層方式建立兩種復(fù)合材料模型，并分別賦予板單元屬性。圖3為客室地板有限元等效模型示意圖。

圖3 客室地板有限元等效模型

選取7階試驗(yàn)?zāi)B(tài)辨識結(jié)果為等效模型的修正參考目標(biāo)值，8項(xiàng)待修正參數(shù)見表1。在給定被修正參數(shù)變化范圍時，需考慮參數(shù)的實(shí)際物理意義[10]，并結(jié)合多次材料試驗(yàn)測試結(jié)果，保證修正結(jié)果的合理性。

表1 待修正參數(shù)明細(xì)表

復(fù)合材料客室地板模態(tài)修正采用MATLAB與有限元環(huán)境聯(lián)合仿真的方法，修正流程如圖4所示。

圖4 模態(tài)修正流程

仿真模型各參數(shù)收斂過程如圖5(a)所示，由圖可知，彈性模量及剪切模量對于模態(tài)結(jié)果的影響較大，修正過程經(jīng)歷大約40～50次迭代后，所有參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定收斂狀態(tài)。圖5(b)表明，7階待修正的模態(tài)頻率誤差在經(jīng)歷20次迭代后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，各階模態(tài)最大誤差均小于6%。

圖5 模型修正結(jié)果校驗(yàn)

2.3 頻響函數(shù)對比分析

圖6為修正后的客室地板頻響函數(shù)試驗(yàn)仿真對比分析，從圖中可以看出，在3～70 Hz頻率范圍內(nèi)試驗(yàn)與仿真結(jié)果匹配度較好，主要頻率成分吻合較好。誤差主要是仿真計算中阻尼模型及阻尼參數(shù)無法準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)試件的真實(shí)阻尼特性所致。

圖6 客室地板試驗(yàn)仿真頻響對比

3 地板組合斷面模態(tài)及振動傳遞分析

3.1 仿真模型

圖7為地板組合斷面有限元仿真模型，其中復(fù)合材料客室地板使用修正后的仿真模型，鋁型材車體地板采用殼單元建模，地板減振器為實(shí)體等效模型[11]。

圖7 地板組合斷面有限元模型

3.2 模態(tài)分析

基于軌道車輛舒適度重點(diǎn)考察的頻率范圍以及試驗(yàn)測點(diǎn)布置數(shù)量，設(shè)定地板組合斷面的模態(tài)分析頻率為0～60 Hz，表2為部分典型模態(tài)頻率、振型的試驗(yàn)仿真對比結(jié)果，由表中數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率與計算模態(tài)頻率最大誤差小于6%。

表2 地板組合斷面典型模態(tài)試驗(yàn)仿真對比

3.3 頻率響應(yīng)分析

按照試驗(yàn)激勵方式對模型施加載荷，取傳感器測試位置的仿真頻響與試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行對比，如圖8所示，選取客室地板典型位置進(jìn)行頻響函數(shù)試驗(yàn)仿真對比，從圖中可知，在20 Hz以下的區(qū)域內(nèi)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果從頻率和幅值的角度來看，一致性較好。20～50 Hz頻率的變化趨勢基本一致，幅值的差異逐漸增大。

圖8 地板組合斷面頻響試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比

3.4 誤差分析

對試驗(yàn)頻響函數(shù)復(fù)現(xiàn)是評價仿真模型是否準(zhǔn)確的重要依據(jù)，從研究結(jié)果可以看出，地板組合斷面仿真模型在50 Hz以下能夠基本描述試驗(yàn)測試規(guī)律。誤差的存在是不可避免的[12]，從試驗(yàn)角度來看，激勵信號的信噪比、激勵信號的形式、激勵持續(xù)時間、測試邊界條件、傳感器的特性等均會對試驗(yàn)?zāi)B(tài)識別結(jié)果產(chǎn)生影響。

4 基于座椅安裝狀態(tài)下的地板斷面振動傳遞規(guī)律分析

在地板組合斷面仿真模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)車的不同安裝條件，分別建立了兩種座椅約束方式，第一種為座椅直接固定在客室地板，第二種為座椅通過減振器固定于車體地板滑槽。此外，在仿真模型中設(shè)置了相應(yīng)的集中質(zhì)量點(diǎn)，模擬乘客和座椅質(zhì)量，如圖9所示。

圖9 座椅-地板斷面系統(tǒng)說明

圖10對比了5～50 Hz頻率范圍內(nèi)不同座椅安裝方式的地板組合斷面振動傳遞規(guī)律，從圖中可知，座椅直接安裝在客室地板，在20～ 40 Hz時座椅附近區(qū)域的客室地板會有明顯的振動放大現(xiàn)象出現(xiàn)。將座椅通過減振器固定在車體地板滑槽，客室地板-車體地板振動情況基本一致，振動放大率

圖10 不同座椅安裝方式地板斷面振動傳遞對比

較小，最大值小于2，表明此種座椅安裝方式對于客室地板局部振動影響較小，驗(yàn)證了現(xiàn)車改善方案的合理性。

5 結(jié)束語

本文基于地板組合斷面模態(tài)試驗(yàn)，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合材料客室地板進(jìn)行了有限元修正，減小了結(jié)構(gòu)實(shí)測模態(tài)和仿真計算模態(tài)之間的誤差。然后基于修正后的地板斷面模型，對現(xiàn)車不同座椅安裝方式的振動響應(yīng)及振動傳遞規(guī)律進(jìn)行研究，仿真結(jié)論與現(xiàn)車測試規(guī)律吻合，證明了使用局部模型表征整車振動規(guī)律的可行性。

此外，不同座椅安裝方式得到的車體地板到客室地板振動傳遞規(guī)律表明，將座椅直接固定在客室地板上，會引起座椅附近地板在20～40 Hz范圍內(nèi)的振動放大，影響乘坐舒適性，而將座椅通過減振器固定在車體地板滑槽的安裝方式可以有效避免該頻率范圍內(nèi)的振動放大，該結(jié)論從理論上解釋了現(xiàn)車改善方案的合理性。