CRH380高速動車組半包間結構研究以及振動模態分析

趙鳳啟+王志濤+李寶泉+趙洪利

摘要：文章對高速動車組用半包間結構進行研究分析，半包間采用多級模塊化設計方案，選用鋁型材以及鋼化夾膠夾絹玻璃等結構，這些設計結構有效地防止了高速車運行過程中，空氣阻力引起的振動沖擊對半包間強度破壞和振動噪音的影響，增強了車內的舒適性能。針對此種結構，采用有限元振動模態分析的方法，對其進行仿真分析，得到其最低振動模態頻率為20.532Hz，避免了與車體共振的發生。從而證實了此半包間結構滿足高速動車組的運營條件要求，具有良好的抗振動性能，滿足其舒適性能要求。

關鍵詞：半包間；有限元分析；模態分析；振動分析

中圖分類號：U266 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）01-0129-03

1 概述

隨著人們生活水平的提高以及我國鐵路事業的發展，高速、便捷、舒適的鐵路運輸車輛不斷出現，以滿足人民群眾生活生產工作的需要。伴隨高速度要求，空氣動阻力已成為列車主要的影響因素，空氣氣流引起的振動噪聲影響客室的舒適性。一般來說，為了避免共振現象，系統的固有頻率應避開振動激勵的頻率，兩者比值應大于2.5，稱其為倍頻法則。但在寬帶振動環境中，這是做不到的，只能做到降低共振峰值、傳遞率和相關耦合率。本文對動車組中使用的半包間結構設計進行研究，并對其進行振動模態分析，從而證實其滿足現行設計要求，可為以后新車型的設計提供參考。

2 半包間結構設計研究

2.1 間壁結構設計

動車組半包間設計采用多級模塊化結構設計，以保證安裝和檢修方便。例如間壁玻璃破損后，整個模塊更換時間大約20分鐘。其總體如圖1所示，分為間壁模塊1、間壁模塊2、間壁模塊3和間壁模塊4。

圖1 半包間組成

圖2 半包間間壁

每個模塊可以單獨安裝，且下面的子模塊可以單獨拆卸和維修。如圖2所示，間壁模塊4的子模塊中間壁部分包括間壁41、間壁42和連接立柱43，連接立柱43型材帶有凹槽，間壁41和42型材帶有凸起，間壁41通過43和42連接成為一個整體，并采用螺栓連接。若其中任一破損均可單獨拆下維修。間壁采用鋁型材和雙層鋼化夾膠夾絹玻璃組成，玻璃與鋁型材采用膠接技術，上部覆蓋板以及下部檢修板等相關附屬部件與鋁型材采用3M尼龍搭扣連接方式，夾絹玻璃膠接結構和3M尼龍搭扣連接方式既保證設計的美觀性能，強度要求，又可以減少列車振動沖擊對間壁部件的影響。

2.2 門系統結構設計

半包間采用電控電動雙開內藏式移門，如圖3所示，主要包括門扇、控制系統、門機構和門檻部件等，各個部分采用模塊化設計，便于安裝和維修。門扇采用鋼化夾膠夾絹玻璃組成，門扇前沿設有防撞結構。門機構分為動力部分和非動力部分。動力部分帶有門控器、電機、門導軌等。非動力部分不帶門控器和電機，動力部分和非動力部分通過鋼絲繩連接，通過鋼絲繩動力部分帶動非動力部分協調運動。門系統具有自動、手動和隔離等功能。

圖3 門系統結構

圖4 與車體底架連接結構

圖5 與車體側墻連接結構

2.3 外部接口設計

半包間與車體的接口采用柔性連接的方式進行，主要的連接部位為車體地板和車體側墻，與車體底架的連接結構如圖4所示。半包間底部鋁型材安置在木地板上，通過螺栓與支架上的活螺母緊固，支架與支架鋁板采用螺栓緊固件連接，支架鋁板焊接在車體鋁底架上。在木地板與支架、支架與支撐鋁板之間安裝有彈性膠墊。此種結構使半包間與車體底架之間具有良好的柔性，減少車體振動沖擊對半包間結構的影響。

半包間與車體側墻的連接結構如圖5所示。半包間側部鋁型材通過連接支架與車體側墻連接。采用螺栓將連接支架緊固在車體的安裝架上，鋁型材與連接支架采用螺栓與卡式螺母連接，在緊固過程中，預緊力為一定值，保證卡式螺母在開口內可以有微量的滑動。此種結構近似為柔性連接，可以減少由于車體內外壓差引起車體橫向變形對半包間的影響。

3 半包間振動模態分析

3.1 模態分析簡介

模態分析就是以振動理論為基礎、以模態參數為目標的分析方法，其經典定義是：將線性定常系統振動微分方程組中的物理坐標變換為模態坐標，使方程組解耦，成為一組模態坐標及模態參數的獨立方程，以便求出系統的模態參數。模態參數主要包括模態頻率（固有頻率）、模態向量（振型）、模態阻尼（阻尼系數）以及模態質量等。模態分析的目的是識別出系統的模態參數，為結構系統的振動分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據。

3.2 有限元模態仿真分析建模與參數

本文采用有限元法對動車組半包間三維模型進行振動模態分析，采用的模型為solidworks三維軟件繪制的實體模型。采用有限元分析軟件MSC/Patran、Nastran進行分析和處理。材料參數如表1所示。

根據實際安裝情況，按照包間個各間壁與周圍部件的接口方式進行施加全約束。

3.3 有限元仿真分析結果

采用振型疊加法，為得到精確的仿真結果，要保證在振動主方向上的總質量超過模型中可運動質量的90%，仿真中提取了四種模型的前三十階固有頻率和振型。其中前6階固有頻率和前4階振型如下：

間壁模塊1、2、3、4的前6階固有頻率詳細結果見表2。

間壁模塊的一至四階振型分別如圖6至9所示。

圖6 間壁模塊5一階振型

圖7 間壁模塊1二階振型

3.4 仿真結果分析

通過表2，以及圖6至9可以看出，對于固定點和方式相同的間壁質量大的其同階共振頻率比較大。最低模態頻率f為20.532Hz（列車自身頻率為10～13Hz），高出列車自身頻率的1.5倍以上，有效避免了共振現象的產生。現列車已經在京滬高鐵運輸線上運行，在實際運行過程中并未產生共振現象，而且由于在實際安裝過程中采取柔性連接，進一步避免了共振的發生。

4 結語

本文通過對半包間結構的研究分析，并采用有限元模態分析的方法對其三維結構進行分析，得到其可以滿足高速動車組運行環境的要求，可以保證其運行過程中振動沖擊對其性能的影響。并得到如下結論：

（1）此種結構半包間振動最低模態頻率為20.532Hz，遠高于列車自身頻率10～13Hz，有效避免了共振現象的

產生。

（2）由于仿真分析是建立在車體剛性連接的基礎上，實際過程中，半包間與車體采用柔性技術連接，更進一步保證了車體振動變形對其強度和振動方面的影響，可以滿足列車的舒適性能。

圖8 間壁模塊1三階振型

圖9 間壁模塊1四階振型

（3）通過對半包間結構振動性能的仿真分析，為進一步對半包間等結構優化設計，提供了理論依據。

參考文獻

[1] 譚宇軒，夏軍.車載電子設備的抗振設計與分析[J].

零八一科技，2007，（2）：39-43.

[2] 曹樹謙，張文德，蕭龍翔.振動結構模態分析：理

論、實驗與應用[M].天津：天津大學出版社，2001.

[3] 傅志方，華宏星.模態分析、理論與應用[M].上

海：上海交通大學出版社，2000.

[4] 鮑丙豪，趙洪利，等.基于ABAQUS的印刷電路板組

件模態研究[J].機械設計與制造，2009，（4）.

作者簡介：趙鳳啟，男，唐山軌道客車有限責任公司產品研發中心高級工程師，研究方向：軌道車輛研發

設計。endprint

摘要：文章對高速動車組用半包間結構進行研究分析，半包間采用多級模塊化設計方案，選用鋁型材以及鋼化夾膠夾絹玻璃等結構，這些設計結構有效地防止了高速車運行過程中，空氣阻力引起的振動沖擊對半包間強度破壞和振動噪音的影響，增強了車內的舒適性能。針對此種結構，采用有限元振動模態分析的方法，對其進行仿真分析，得到其最低振動模態頻率為20.532Hz，避免了與車體共振的發生。從而證實了此半包間結構滿足高速動車組的運營條件要求，具有良好的抗振動性能，滿足其舒適性能要求。

關鍵詞：半包間；有限元分析；模態分析；振動分析

中圖分類號：U266 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）01-0129-03

1 概述

隨著人們生活水平的提高以及我國鐵路事業的發展，高速、便捷、舒適的鐵路運輸車輛不斷出現，以滿足人民群眾生活生產工作的需要。伴隨高速度要求，空氣動阻力已成為列車主要的影響因素，空氣氣流引起的振動噪聲影響客室的舒適性。一般來說，為了避免共振現象，系統的固有頻率應避開振動激勵的頻率，兩者比值應大于2.5，稱其為倍頻法則。但在寬帶振動環境中，這是做不到的，只能做到降低共振峰值、傳遞率和相關耦合率。本文對動車組中使用的半包間結構設計進行研究，并對其進行振動模態分析，從而證實其滿足現行設計要求，可為以后新車型的設計提供參考。

2 半包間結構設計研究

2.1 間壁結構設計

動車組半包間設計采用多級模塊化結構設計，以保證安裝和檢修方便。例如間壁玻璃破損后，整個模塊更換時間大約20分鐘。其總體如圖1所示，分為間壁模塊1、間壁模塊2、間壁模塊3和間壁模塊4。

圖1 半包間組成

圖2 半包間間壁

每個模塊可以單獨安裝，且下面的子模塊可以單獨拆卸和維修。如圖2所示，間壁模塊4的子模塊中間壁部分包括間壁41、間壁42和連接立柱43，連接立柱43型材帶有凹槽，間壁41和42型材帶有凸起，間壁41通過43和42連接成為一個整體，并采用螺栓連接。若其中任一破損均可單獨拆下維修。間壁采用鋁型材和雙層鋼化夾膠夾絹玻璃組成，玻璃與鋁型材采用膠接技術，上部覆蓋板以及下部檢修板等相關附屬部件與鋁型材采用3M尼龍搭扣連接方式，夾絹玻璃膠接結構和3M尼龍搭扣連接方式既保證設計的美觀性能，強度要求，又可以減少列車振動沖擊對間壁部件的影響。

2.2 門系統結構設計

半包間采用電控電動雙開內藏式移門，如圖3所示，主要包括門扇、控制系統、門機構和門檻部件等，各個部分采用模塊化設計，便于安裝和維修。門扇采用鋼化夾膠夾絹玻璃組成，門扇前沿設有防撞結構。門機構分為動力部分和非動力部分。動力部分帶有門控器、電機、門導軌等。非動力部分不帶門控器和電機，動力部分和非動力部分通過鋼絲繩連接，通過鋼絲繩動力部分帶動非動力部分協調運動。門系統具有自動、手動和隔離等功能。

圖3 門系統結構

圖4 與車體底架連接結構

圖5 與車體側墻連接結構

2.3 外部接口設計

半包間與車體的接口采用柔性連接的方式進行，主要的連接部位為車體地板和車體側墻，與車體底架的連接結構如圖4所示。半包間底部鋁型材安置在木地板上，通過螺栓與支架上的活螺母緊固，支架與支架鋁板采用螺栓緊固件連接，支架鋁板焊接在車體鋁底架上。在木地板與支架、支架與支撐鋁板之間安裝有彈性膠墊。此種結構使半包間與車體底架之間具有良好的柔性，減少車體振動沖擊對半包間結構的影響。

半包間與車體側墻的連接結構如圖5所示。半包間側部鋁型材通過連接支架與車體側墻連接。采用螺栓將連接支架緊固在車體的安裝架上，鋁型材與連接支架采用螺栓與卡式螺母連接，在緊固過程中，預緊力為一定值，保證卡式螺母在開口內可以有微量的滑動。此種結構近似為柔性連接，可以減少由于車體內外壓差引起車體橫向變形對半包間的影響。

3 半包間振動模態分析

3.1 模態分析簡介

模態分析就是以振動理論為基礎、以模態參數為目標的分析方法，其經典定義是：將線性定常系統振動微分方程組中的物理坐標變換為模態坐標，使方程組解耦，成為一組模態坐標及模態參數的獨立方程，以便求出系統的模態參數。模態參數主要包括模態頻率（固有頻率）、模態向量（振型）、模態阻尼（阻尼系數）以及模態質量等。模態分析的目的是識別出系統的模態參數，為結構系統的振動分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據。

3.2 有限元模態仿真分析建模與參數

本文采用有限元法對動車組半包間三維模型進行振動模態分析，采用的模型為solidworks三維軟件繪制的實體模型。采用有限元分析軟件MSC/Patran、Nastran進行分析和處理。材料參數如表1所示。

根據實際安裝情況，按照包間個各間壁與周圍部件的接口方式進行施加全約束。

3.3 有限元仿真分析結果

采用振型疊加法，為得到精確的仿真結果，要保證在振動主方向上的總質量超過模型中可運動質量的90%，仿真中提取了四種模型的前三十階固有頻率和振型。其中前6階固有頻率和前4階振型如下：

間壁模塊1、2、3、4的前6階固有頻率詳細結果見表2。

間壁模塊的一至四階振型分別如圖6至9所示。

圖6 間壁模塊5一階振型

圖7 間壁模塊1二階振型

3.4 仿真結果分析

通過表2，以及圖6至9可以看出，對于固定點和方式相同的間壁質量大的其同階共振頻率比較大。最低模態頻率f為20.532Hz（列車自身頻率為10～13Hz），高出列車自身頻率的1.5倍以上，有效避免了共振現象的產生?，F列車已經在京滬高鐵運輸線上運行，在實際運行過程中并未產生共振現象，而且由于在實際安裝過程中采取柔性連接，進一步避免了共振的發生。

4 結語

本文通過對半包間結構的研究分析，并采用有限元模態分析的方法對其三維結構進行分析，得到其可以滿足高速動車組運行環境的要求，可以保證其運行過程中振動沖擊對其性能的影響。并得到如下結論：

（1）此種結構半包間振動最低模態頻率為20.532Hz，遠高于列車自身頻率10～13Hz，有效避免了共振現象的

產生。

（2）由于仿真分析是建立在車體剛性連接的基礎上，實際過程中，半包間與車體采用柔性技術連接，更進一步保證了車體振動變形對其強度和振動方面的影響，可以滿足列車的舒適性能。

圖8 間壁模塊1三階振型

圖9 間壁模塊1四階振型

（3）通過對半包間結構振動性能的仿真分析，為進一步對半包間等結構優化設計，提供了理論依據。

參考文獻

[1] 譚宇軒，夏軍.車載電子設備的抗振設計與分析[J].

零八一科技，2007，（2）：39-43.

[2] 曹樹謙，張文德，蕭龍翔.振動結構模態分析：理

論、實驗與應用[M].天津：天津大學出版社，2001.

[3] 傅志方，華宏星.模態分析、理論與應用[M].上

海：上海交通大學出版社，2000.

[4] 鮑丙豪，趙洪利，等.基于ABAQUS的印刷電路板組

件模態研究[J].機械設計與制造，2009，（4）.

作者簡介：趙鳳啟，男，唐山軌道客車有限責任公司產品研發中心高級工程師，研究方向：軌道車輛研發

設計。endprint

摘要：文章對高速動車組用半包間結構進行研究分析，半包間采用多級模塊化設計方案，選用鋁型材以及鋼化夾膠夾絹玻璃等結構，這些設計結構有效地防止了高速車運行過程中，空氣阻力引起的振動沖擊對半包間強度破壞和振動噪音的影響，增強了車內的舒適性能。針對此種結構，采用有限元振動模態分析的方法，對其進行仿真分析，得到其最低振動模態頻率為20.532Hz，避免了與車體共振的發生。從而證實了此半包間結構滿足高速動車組的運營條件要求，具有良好的抗振動性能，滿足其舒適性能要求。

關鍵詞：半包間；有限元分析；模態分析；振動分析

中圖分類號：U266 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）01-0129-03

1 概述

隨著人們生活水平的提高以及我國鐵路事業的發展，高速、便捷、舒適的鐵路運輸車輛不斷出現，以滿足人民群眾生活生產工作的需要。伴隨高速度要求，空氣動阻力已成為列車主要的影響因素，空氣氣流引起的振動噪聲影響客室的舒適性。一般來說，為了避免共振現象，系統的固有頻率應避開振動激勵的頻率，兩者比值應大于2.5，稱其為倍頻法則。但在寬帶振動環境中，這是做不到的，只能做到降低共振峰值、傳遞率和相關耦合率。本文對動車組中使用的半包間結構設計進行研究，并對其進行振動模態分析，從而證實其滿足現行設計要求，可為以后新車型的設計提供參考。

2 半包間結構設計研究

2.1 間壁結構設計

動車組半包間設計采用多級模塊化結構設計，以保證安裝和檢修方便。例如間壁玻璃破損后，整個模塊更換時間大約20分鐘。其總體如圖1所示，分為間壁模塊1、間壁模塊2、間壁模塊3和間壁模塊4。

圖1 半包間組成

圖2 半包間間壁

每個模塊可以單獨安裝，且下面的子模塊可以單獨拆卸和維修。如圖2所示，間壁模塊4的子模塊中間壁部分包括間壁41、間壁42和連接立柱43，連接立柱43型材帶有凹槽，間壁41和42型材帶有凸起，間壁41通過43和42連接成為一個整體，并采用螺栓連接。若其中任一破損均可單獨拆下維修。間壁采用鋁型材和雙層鋼化夾膠夾絹玻璃組成，玻璃與鋁型材采用膠接技術，上部覆蓋板以及下部檢修板等相關附屬部件與鋁型材采用3M尼龍搭扣連接方式，夾絹玻璃膠接結構和3M尼龍搭扣連接方式既保證設計的美觀性能，強度要求，又可以減少列車振動沖擊對間壁部件的影響。

2.2 門系統結構設計

半包間采用電控電動雙開內藏式移門，如圖3所示，主要包括門扇、控制系統、門機構和門檻部件等，各個部分采用模塊化設計，便于安裝和維修。門扇采用鋼化夾膠夾絹玻璃組成，門扇前沿設有防撞結構。門機構分為動力部分和非動力部分。動力部分帶有門控器、電機、門導軌等。非動力部分不帶門控器和電機，動力部分和非動力部分通過鋼絲繩連接，通過鋼絲繩動力部分帶動非動力部分協調運動。門系統具有自動、手動和隔離等功能。

圖3 門系統結構

圖4 與車體底架連接結構

圖5 與車體側墻連接結構

2.3 外部接口設計

半包間與車體的接口采用柔性連接的方式進行，主要的連接部位為車體地板和車體側墻，與車體底架的連接結構如圖4所示。半包間底部鋁型材安置在木地板上，通過螺栓與支架上的活螺母緊固，支架與支架鋁板采用螺栓緊固件連接，支架鋁板焊接在車體鋁底架上。在木地板與支架、支架與支撐鋁板之間安裝有彈性膠墊。此種結構使半包間與車體底架之間具有良好的柔性，減少車體振動沖擊對半包間結構的影響。

半包間與車體側墻的連接結構如圖5所示。半包間側部鋁型材通過連接支架與車體側墻連接。采用螺栓將連接支架緊固在車體的安裝架上，鋁型材與連接支架采用螺栓與卡式螺母連接，在緊固過程中，預緊力為一定值，保證卡式螺母在開口內可以有微量的滑動。此種結構近似為柔性連接，可以減少由于車體內外壓差引起車體橫向變形對半包間的影響。

3 半包間振動模態分析

3.1 模態分析簡介

模態分析就是以振動理論為基礎、以模態參數為目標的分析方法，其經典定義是：將線性定常系統振動微分方程組中的物理坐標變換為模態坐標，使方程組解耦，成為一組模態坐標及模態參數的獨立方程，以便求出系統的模態參數。模態參數主要包括模態頻率（固有頻率）、模態向量（振型）、模態阻尼（阻尼系數）以及模態質量等。模態分析的目的是識別出系統的模態參數，為結構系統的振動分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據。

3.2 有限元模態仿真分析建模與參數

本文采用有限元法對動車組半包間三維模型進行振動模態分析，采用的模型為solidworks三維軟件繪制的實體模型。采用有限元分析軟件MSC/Patran、Nastran進行分析和處理。材料參數如表1所示。

根據實際安裝情況，按照包間個各間壁與周圍部件的接口方式進行施加全約束。

3.3 有限元仿真分析結果

采用振型疊加法，為得到精確的仿真結果，要保證在振動主方向上的總質量超過模型中可運動質量的90%，仿真中提取了四種模型的前三十階固有頻率和振型。其中前6階固有頻率和前4階振型如下：

間壁模塊1、2、3、4的前6階固有頻率詳細結果見表2。

間壁模塊的一至四階振型分別如圖6至9所示。

圖6 間壁模塊5一階振型

圖7 間壁模塊1二階振型

3.4 仿真結果分析

通過表2，以及圖6至9可以看出，對于固定點和方式相同的間壁質量大的其同階共振頻率比較大。最低模態頻率f為20.532Hz（列車自身頻率為10～13Hz），高出列車自身頻率的1.5倍以上，有效避免了共振現象的產生?，F列車已經在京滬高鐵運輸線上運行，在實際運行過程中并未產生共振現象，而且由于在實際安裝過程中采取柔性連接，進一步避免了共振的發生。

4 結語

本文通過對半包間結構的研究分析，并采用有限元模態分析的方法對其三維結構進行分析，得到其可以滿足高速動車組運行環境的要求，可以保證其運行過程中振動沖擊對其性能的影響。并得到如下結論：

（1）此種結構半包間振動最低模態頻率為20.532Hz，遠高于列車自身頻率10～13Hz，有效避免了共振現象的

產生。

（2）由于仿真分析是建立在車體剛性連接的基礎上，實際過程中，半包間與車體采用柔性技術連接，更進一步保證了車體振動變形對其強度和振動方面的影響，可以滿足列車的舒適性能。

圖8 間壁模塊1三階振型

圖9 間壁模塊1四階振型

（3）通過對半包間結構振動性能的仿真分析，為進一步對半包間等結構優化設計，提供了理論依據。

參考文獻

[1] 譚宇軒，夏軍.車載電子設備的抗振設計與分析[J].

零八一科技，2007，（2）：39-43.

[2] 曹樹謙，張文德，蕭龍翔.振動結構模態分析：理

論、實驗與應用[M].天津：天津大學出版社，2001.

[3] 傅志方，華宏星.模態分析、理論與應用[M].上

海：上海交通大學出版社，2000.

[4] 鮑丙豪，趙洪利，等.基于ABAQUS的印刷電路板組

件模態研究[J].機械設計與制造，2009，（4）.

作者簡介：趙鳳啟，男，唐山軌道客車有限責任公司產品研發中心高級工程師，研究方向：軌道車輛研發

設計。endprint