基于有限元法对提高车体整备模态频率的研究

基于有限元法对提高车体整备模态频率的研究

任嘉名

中车大连机车车辆有限公司 辽宁大连 116000

摘要：基于有限元法和模态算法原理，对不锈钢地铁车体进行模态分析,得出车体在钢结构、整备、超员三种状态下的模态计算结果，针对整备状态下车体一阶垂弯模态频率计算值较低的问题，研究传统建模方式的不足之处并提出有限元模型改进方案，之后提出三种可行的模态提升方案并进行建模验证。

关键字：不锈钢地铁；有限元法；模态研究

1引言

不锈钢地铁车在高速状态下会使车辆对外界激励的响应愈发强烈，车辆在实际运行时由于轨道不平顺激扰的作用会产生明显的振动。若车辆部件与车体发生共振现象，不仅会影响车辆运行品质，还会引起车体结构破坏，进而对行车安全造成威胁。因此，应通过模态分析，在设计阶段尽量提高车体的模态频率，以避免共振现象的发生。^[2]

2模态分析结果

影响车体模态的主要因素在于车体的质量分布及结构材质，本文对不锈钢地铁车进行三种车辆状态下的无约束自由模态分析，其中钢结构模型质量11.4 t，只包含车体的骨架结构。整备状态是在车体钢结构基础上增加了车内设备、车下电气系统、内装等。超员状态则是在整备状态的基础上，以均布力的方式将超员载荷分布在地板上。车体钢结构状态、整备状态及超员状态下一阶菱形、一阶垂弯及一阶扭转振型计算结果如表1所示。

表1 车体三种状态下的模态计算结果（单位：Hz）

通过对比车体钢结构、整备、超员三种状态下一阶菱形、一阶垂弯和一阶扭转的振动频率，发现车体模态频率与车体质量大小有极大关联，随着车体质量的增大，车体振动频率逐渐降低。因此，应重点关注车体结构的轻量化问题以提升车体的动力学性能。

3提高车体整备模态频率的研究

通过模态分析可以找到车体的薄弱位置，模态分析有利于在车体设计阶段预测其动态特性，为车体结构优化提供依据^[2]。为了给乘客提供更为舒适安全的行车体验，最大程度地保证实际运营的需求，应通过局部优化的方式适当提高车体整备模态的频率。本文从理论研究的角度，分析不同有限元建模方式对模态计算结果的影响，并针对几种可行的提升方案进行建模验证。

3.1 整备模态的有限元建模思路

由于车体附属件种类繁多，各部件与车体的连接方式各不相同，对整备状态下的车体有限元建模也可以从不同的角度考虑。例如可以通过底架承载的方式将质量较小且无法精细模拟的部件质量均布在地板上；或通过添加质量块的方式将质量划分在相应位置；也可考虑通过增加板厚的方式将部件质量附加在板厚之中；亦可通过当量密度的方法，通过改变相应钢板的密度实现质量的改变。在车体结构设计的初期，考虑到分析的有效性和经济性，选用如下三种建模方式：

方法一：对于底架上悬挂的大质量设备及车顶空调等结构，采用集中质量点的形式施加到设备的重心，并通过RBE3单元与底架滑槽、空调安装座等结构连接。其余部分如内装、座椅、门窗等结构质量全部以MASS点的形式平铺在地板上。

方法二：前期处理方式与方法一相同，而对于剩余质量通过调整密度均布于整车。

方法三：进一步细化车体的质量，考虑到复合地板作为车体内装的重要组成部分，其几何规模较大，对整车刚度的贡献较高，因此，在有限元模型中对复合地板结构进行模拟。此外，根据实际安装情况，在钢结构模型的基础上将100 kg以上的安装设备（如电气柜、车窗、座椅等）通过集中MASS点的形式施加于重心，剩余小质量设备按照其实际情况通过添加质量块的方式施加，对于无法精确模拟实际安装位置的部件通过调整密度的方式附加在整个车体。

在上述三种方案下，车体整备模态一阶垂弯计算结果如表4.2所示。

表4.2 三种建模方式下车体一阶垂弯计算结果

根据以上计算结果对比可知，随着有限元模型的不断细化，车体的一阶垂弯频率不断提升。方法一仅是考虑了车体模型的总质量，而忽略了模型的刚度和重心，将所有车内设备及内装以质量点的方式施加在地板上会造成有限元模型的重心与实际重心存在较大偏差。而方法二和方法三中利用调整密度的方式将多余质量附加在整车，可使模型重心更接近实际值。通过对比方法二和方法三可知，除了重心的影响外，刚度对于模态的频率值也有着较大的影响，通过对较大质量内装结构的模型细化可有效考虑刚度的贡献。此外，对较小质量设备的质量分布和重心位置做进一步的调整可使得模态结果更接近于实际值。因此，对整备状态下车体有限元模型的建立应综合考虑质量、重心和设备刚度的影响。

3.2 一阶垂向弯曲频率的优化提高方案

为了提高整备状态下车体一阶垂弯模态的自振频率，本文研究下边梁型材、侧窗布置以及底架横梁安装对一阶垂弯模态的贡献，提出了三种提高车体一阶模态自振频率的结构设计方案。

方案一：改进下边梁型材的结构，添加一块厚5 mm的立筋和两块厚5 mm的斜筋，以验证下边梁型材对车体一阶垂弯模态的影响。

方案二：考虑侧窗布置方式对垂向刚度的影响，将侧窗高度下降200 mm，其重心相应下降100 mm，以增加侧墙垂向刚度。

方案三：考虑底架主横梁对垂向刚度的贡献，引入四根主横梁与滑槽交错布置，主横梁两侧与下边梁角焊，横梁上部与地板段焊，横梁安装方式所示。

3.3 各改进方案计算结果

根据表4.3三种改进方案下一阶垂弯计算结果可知，方案一通过改进下边梁型材的结构后，车体一阶垂弯模态的自振频率为9.33 Hz，较原方案略有提升。方案二通过改进侧窗高度后，车体一阶垂弯模态的自振频率为9.90 Hz，较原始设计方案提升较大。方案三通过底架主横梁结构的设计也可以使车体一阶垂弯模态的自振频率提升。三种设计方案的整备状态车体一阶垂弯计算结果对比如表4.3所示。

表4.3 三种改进方案下一阶垂弯计算结果（单位：Hz）

由以上计算结果可以看出，三种方案都可以提升一阶垂弯模态的自振频率。在实际设计过程中可综合考虑上述各方案的实用性，选用适合的方案，以满足实际运行的需求。

4结语

本章首先介绍了车体模态分析算法原理，分析了车体在三种状态下的无约束自由模态。从有限元建模的角度，对整备状态下车体一阶垂弯模态进行了分析，提出三种可行的结构改进方案并进行建模验证。

参考文献：

1. 龚昌晶．基于Lanczos算法的ZYW-2600动力头6阶模态分析[J]．煤矿机械，2018，39（11）: 61-63．

2. 吴丹，商跃进，王红，等．160km/h轨道车车体模态和稳定性有限元分析[J]．机车电传动，2011（05）:14-16．