B型鋁合金地鐵車體模態分析及試驗驗證

王天宇　楊玉森

【摘 要】針對B型鋁合金地鐵車的的結構特點及鋁合金材料的力學特性，合理建立車體有限元模型，模擬車體結構的模態.通過試驗與計算結果的對比表明，有限元分析結果與試驗數據在模態的振型和頻率在數值上接近一致，考慮到車體結構的復雜性及有限元建模的過程，可以認定有限元模擬的可靠性，為車體結構的進一步優化與改進提供了參考依據.

【關鍵詞】B型鋁合金地鐵車；有限元仿真；試驗；模態

【Abstract】According to the structural characteristics of B-type aluminum subway cars and mechanical properties of aluminum alloys， set up finite element model reasonably to simulate the modal of carbody structure. By comparing，it is found that the finite element analysis results and experimental datas have familiar inherent frequencies and modal shapes of the first 6 order modes. Taking into account the complexity of the carbody and the process of setting up the finite element model of the carbody structure， the finite element can be identified reliability， then providing a reference for further optimization and improving.

【Key words】B-type aluminum subway car；Finite element simulation；Experience；Modal

0 前言

地鐵車輛在行駛過程中，由于軌道的不平順、輪軌間的相對運動及車輛懸掛系統自身的特征等原因，軌道交通車輛在行駛過程中會產生復雜的振動，這種振動的大小與對旅客的乘坐舒適度和車體結構的疲勞損傷都有明顯的影響。為保證設計的城軌車輛在運行中具有良好的車體結構振動特性，需對車體的模態進行分析[1-2]。本文根據模態分析理論，采用有限元分析軟件對B型鋁合金地鐵車進行模態分析，并通過與試驗數值的對比，驗證了有限元模型的可靠性，為車體結構的優化設計和后續開發提供了可靠地保證。

1 模態的算法分析原理

本次車體模態分析計算工況為無約束自由模態.對于鋁合金TC車體的動力學問題，可以根據三維彈性動力學基本方程及力的邊界條件，并利用等效積分形式的Galerkin提法，最終得到彈性體振動的有限元格式下的動力學微分方程：

2 車體有限元模型的建立

該鋁合金地鐵車TC車體長19200mm，車體外側最大寬度2800mm，車輛定距12600mm，為由大型中空鋁合金擠壓型材全焊接組成的整體式承載結構，由底架、側墻、端墻、司機室和頂棚等主要部分組成。采用HyperMesh軟件建立車體的有限元模型，主要采用任意四節點等參薄殼單元進行模擬，車體結構的模型中單元總數為977505，結點總數為825334，車體有限元模型見圖1。

車體所用材料主要為鋁合金，計算時代入的力學性能為：彈性模量E=70GPa，泊松比μ=0.33，密度ρ=2710kg/m3。

3 有限元計算結果

地鐵車輛整車模態計算分為空車自由模態、整備自由模態和超員自由模態三種工況，由于試驗工況是空車自由模態，為了對應比較，本文中有限元分析的模態也采用空車自由模態。車體前六階固有頻率及其相對應的振型見表1，車體前三階模態振型見圖2。

4 仿真結果與試驗數據比較分析

4.1 試驗中傳感器配置方案

（a）車體斷面布置示意圖

（b）車體加速度傳感器布置示意圖

針對車體的特點，沿車體長度方向分為9個斷面布置測點，每個斷面地板中部1個測點、左右上邊梁各1個測點、左右下邊梁各1個測點、側墻中部1個測點、車頂棚中部1個測點，共8個測點。每個測點測試橫向和垂向兩個方向加速度，加速度傳感器采用ICP式加速度傳感器。車體斷面布置示意圖和加速度傳感器布置圖如圖3 所示。

4.2 試驗數據[3]與仿真結果比較分析

試驗工況是空車自由模態，試驗結果與仿真結果的對比見表2.

通過對有限元仿真模擬下的模態振型和頻率與試驗數據對比可以看出，仿真計算數值的振型和對應頻率與車體試驗貼傳感器得到的模態分布趨勢相同，且對應振型的頻率數值相差很小，即便是在車體一階菱形振型仿真結果與試驗數據值相對誤差較大，但兩者數值相差仍在1.6Hz以內，其余各振型數據趨勢相同且相對誤差在10%以內。由此可以證明該鋁合金地鐵車體有限元仿真模型的建立是正確的，選用的單元是合理的，有很高的可信度，可以為車體結構的進一步優化改進提供一定的參考依據。

5 結論

本文通過對鋁合金地鐵車體模態的有限元仿真計算結果與試驗數據對比，得出如下結論：

（1）根據鋁合金地鐵車體的典型特點，采用殼單元來模擬車體結構，可以較好地模擬出其點傳力的特點，仿真計算證明此方法是可行的。

（2）計算得出鋁合金地鐵車體的無約束自由模態的前六階振型，并對比試驗數據，除車體一階菱形振型的數據外，相對誤差均不超過10%，表明該建模方法正確，論證了有限元仿真模擬的可信度。

【參考文獻】

[1]吳燕.客車體的試驗模態分析[J].鐵道學報，1994（12）：7-14.

[2]王國軍，王鍇，岳譯新，羅寶.B型地鐵鋁合金車體模態優化設計[J].電力機車與城軌車輛，2012（6）：31-33.

[3]大連3號線增購車輛TC車體（結構車）模態試驗報告[R].青島：中國北車集團四方車輛研究所，2013.

[責任編輯：劉展]