高速列车内饰结构振动模态仿真分析研究
发表时间：2018-07-09T10:24:56.127Z 来源：《电力设备》2018年第6期作者：杨桂娟
[导读] 摘要：车内结构要兼顾造型与布置以及动态特性等要求。
（中车唐山机车车辆有限公司河北省唐山市 064000）
摘要：车内结构要兼顾造型与布置以及动态特性等要求。良好的动态特性是车身设计的关键要素之一。开展车内结构的模态频率及振型分析可以预测车内结构与车体等发生相互影响的可能性，从而通过结构的合理设计避开共振频率。本文利用hypermesh软件建立了高速列车内操作的有限元模型，对内操作做了模态分析，得到了内操作的前四阶的固有频率及相应振型。
1 模态仿真分析基本理论
1.1 有限元法在铁道车辆模态分析中的应用
有限元法是根据变分原理求解数理方程的一种数值计算方法，是一种解决工程实际问题有力的数值计算工具。它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合起来的数值分析技术。有限元法将求解区域看成由许多小的在节点处互相连接的单元构成，其模型给出基本方程的分片近似解，从而把物体划分为大量的足够小的单元，利用插值多项式将欲求的参数在单元内的变化用单元节点上的该参数表示出来。用这种离散的模型来近似表示在物体内连续变化的待求参数，再根据变分原理或最小位能原理求解各节点的欲求参数值，可得出各单元的应力等。由于单元可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好的适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。所有这些使得有限元方法成为结构分析中必不可少的工具及工程计算中的有效方法。
到目前为止，有限元法已经在固体力学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生物力学等各个领域得到广泛应用。如：能求解由杆、梁、板、壳、块体等各类单元构成的弹性(线性和非线性)、弹塑性或塑性问题(静力和动力问题)；能求解各类场分布问题(流体场、温度场、电磁场等的稳态和瞬态问题)：还能求解水流管路、电路、润滑、噪声以及固体、流体、温度相互作用等问题。
1.2 模态分析
有限元的模态分析就是建立模态模型并进行数值分析的过程。模态分析的实质就是求解具有有限个自由度的无阻尼线弹性系统运动方程（因结构的阻尼对其模态频率及振型的影响很小，可以忽略），其矩阵表达式为
其解的形式为
将式下式代入上式后，得到方程有非零解的条件是其系数行列式的值为零，即
求解上式可得到其特征值及对应的特征向量，也即模态频率和振型。
2 有限元模型的建立
2.1 内操作模型的几何概况
内操作安装支架是一个不锈钢的焊接件，通过4个M8X35的螺栓连接在车体立板上，支架又是通过两个角铁与内操作连接，涉及到的物料如下：内操作材质：EN AW-6005A-T6，材质标准：EN755-2-2008，工业标准：EN755-9-2008；内操作支架，支架厚度3mm，材料为X5CrNi18-10；工业标准：EN10088-2-2005；车体立板材质是EN AW-5083-H111，材质标准：EN755-2-2008。
由于前期线路运行过程中发现，CRH380BL动车组的塞拉门操作面板存在不同程度的振动情况，导致其存在一定的异响。因此，为了防止250A车的塞拉门内操作面板产生振动，提高旅客的乘坐舒适性，改善旅客的乘车环境，需要对250A车内操作做相应的振动分析计算。
2.2 内操作有限元模型的建立
将250A动车组内操作三维模型导入到hypermesh软件中进行几何模型的优化处理，并对内操作的几何模型进行了有限元网格的划分，单元类型为Shell63，有限元模型见图1所示，共包含3070个单元和3504个节点。
内操作材质：EN AW-6005A-T6，材质标准：EN755-2-2008，工业标准：EN755-9-2008，密度为2.75e-9，弹性模量为71000Mpa，泊松比为0.33；内操作支架材料为X5CrNi18-10，工业标准：EN10088-2-2005，密度为7.85e-9，弹性模量为210000Mpa，泊松比为0.3。
计算结构的模态只需考虑其约束情况，对内操作支架上的四个螺栓孔添加约束。
3 计算结果及分析
将在hypermesh中处理过的有限元模型导入到Ansys软件中进行计算，为了便于分析，图1规定了坐标系方向。由于高频振动的影响较小，所以计算过程中取前四阶进行分析。内操作结构的约束模态计算结果如下表1所示。
图1 坐标系方向示意图
表1 内操作结构的约束模态频率（HZ）
4 结论
为了校核上述计算结果，将CRH380BL动车组前期的试验结果与之进行对比分析。前期的试验结果如下：图2为CRH380BL在250km/h速度下内操作振动测试获得的振动加速度频谱特性曲线。从中可以看出，内操作的主要振动频率大致在35Hz和40.0Hz之间；内操作连接部分（车门处）的车体主要振动频率45Hz左右。
图2 CRH380BL在速度为250Km/h时的加速度频谱特性
从表1的计算结果来看，内操作的一阶垂向振动频率为24.489HZ，二阶振动频率为65.372HZ，同试验获得的内操作连接部分的车体的主要振动频率35Hz及40Hz（图2）有较大的差距；该试验数据为CRH380BL在250Km/h速度等级下的测试结果，考虑到250A车与CRH380BL的车体结构的相似性（车体一阶垂弯等固有模态频率比较类似），这种差距在250A车中应该也是不可以忽略的，三个频率段基本错开，出现共振的可能性比较小。
由于没有这种车在线路运行中的实际的振动激励测试结果，该分析结果存在一定的误差，但是该结果可以作为前期设计过程中的参考。
参考文献：
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