CRH2G高速列車車體振動性能分析

王偉,祝巍

(1.江西現代職業技術學院 建筑工程學院，江西 南昌 330095；2.南昌市國土資源局，江西 南昌 330038)

CRH2G高速列車車體振動性能分析

王偉1,祝巍2

(1.江西現代職業技術學院 建筑工程學院，江西 南昌 330095；2.南昌市國土資源局，江西 南昌 330038)

對新型高寒抗風沙動車組CRH2G七車車體，利用ANSYS軟件進行建模和仿真計算，獲取車體前4階整車模態參數，并與運行模態試驗測試結果作對比，驗證了有限元模型的正確性.根據模態仿真分析結果，得到車體振動頻率和振型等固有參數，同時也驗證了CRH2G型車體最重要的一階垂向彎曲振型對應的固有頻率大于10 Hz，符合設計標準要求， 為車體振動性能改進及優化設計提供參考依據.

ANSYS；模態分析；CRH2G型車體;振動

0 引言

隨著中國高鐵技術不斷提高，列車運行速度的高速化和結構的輕量化，由線路不平順等因素引起隨機激擾的頻域加寬[1]，導致列車振動問題加劇，這不僅縮短車體使用壽命，影響乘坐舒適度，甚至可能危及到乘客的人身和財產安全.作為列車最大部件的車體是車輛重要的組成部分之一，對車輛振動性能有著重要的影響[2]，其結構設計的合理性直接影響到乘坐舒適度和列車平穩性.模態分析是車體振動性能分析的重要工具，通過車體模態分析，可得到車體的固有模態參數，搞清楚車體在某一易受影響的頻率范圍內各階主要模態的特性，從而預測車體工作頻率在此頻段時產生的實際振動響應，有效地避開車體的共振區間.因此,通過模態分析可以了解車體動力性能是否符合標準要求，進而為車體的改進設計提供依據.

模態分析可分為實驗模態和計算模態兩種.隨著計算機的普及，有限元軟件迅速發展并廣泛應用于各個領域，成為設計研究中不可缺少的工具.目前，許多研究、研發項目為節省實驗經費，縮短研發周期，常常采用計算仿真代替實驗[3].鑒于此，本文采用ANSYS對CRH2G高速列車七車車體進行仿真建模和模態分析，為分析車體振動性能提供參考依據.

1 有限元模態分析[4]

模態分析就是求解具有有限個自由度的無阻尼、無載荷狀態下的動力方程的模態矢量.無阻尼自由振動的動力方程為

(1)

式中,M、K分別是質量矩陣和剛度矩陣；d為結構的節點位移矩陣.在自由振動時，各質點作簡諧運動，方程(1)的解可以表示為

d=d0cosωt

(2)

式中，d0是節點的振幅列陣，即結構的振型；ω為與該振型對應的固有頻率；t是時間.將式(2)代人式(1)，得到齊次方程

(3)

式(3)稱為特征方程，并利用ANSYS對其進行具體分析，即建立模型、加載并求解、擴展模態、觀察結果等步驟[5]，可以得到結構的固有頻率和振型.

2 車體有限元模型

高速運行中的動車組車體不但承載著旅客和設備，而且承受著扭轉、垂向、橫向和縱向載荷等，這就需要動車組車體有足夠的剛度和強度[6].CRH2G型動車組列車的七車為動車且靠近車頭，受到的激勵大，振動情況顯著，可通過對七車車體振動性能的研究，間接了解整個列車的振動特性.因此，七車車體是比較理想的研究對象.

七車車體采用中空鋁合金擠壓型材焊接結構，主要由底架，端墻，側墻，車頂和設備倉等部分組成.車體長為24.5m，寬為3.3m，高為3.86m，軌距為1.435m，彈性模量為69GPA，泊松比為0.3，密度為2730kg/m3.車體是一個大型的結構體，要建立實模不僅難度大，而且對計算機配置要求高，因此，在對車體建模時進行了必要的簡化[7]，如某些設備對于車體而言，體積和重量都比較小，可采用質量塊安裝在設備重心節點位置來代替設備幾何體，這樣簡化對結果影響不大[8]；玻璃、貨物架、座位等部分輔助部件對車體模態分析也影響不大，可以以等效質量均勻地疊加在車體側墻和底板上.

有限元模型劃分網格[9]的密度對計算速度影響非常大，網格劃分越密，計算得到的結果精度越高.但是，當網格密度達到一定程度時，繼續加密網格對計算精度的提高并不顯著，只會增加計算量，延長計算時間[10].本文主要研究的是整車模態，由于車體結構較大，如果采用過小的單元尺寸，不但計算耗時增加，而且容易識別出局部模態，突出的局部模態會掩蓋整車模態，影響整車模態主振型辨別[11].綜合考慮，結合單元間的連接、共節點狀況，進行多次試算，設置ESIZE為0.08m對網格進行控制能得到較好的結果，其劃分的單元總數為45788個，節點總數為48 221個，如圖1所示.

圖1 整車有限元模型

3 模態分析結果及分析

CRH2G型車體是受空氣彈簧等構件約束的，約束復雜，難以模擬，而且如果對車體只進行某些約束下的模態分析，就無法獲知在其它約束下的振動變形[12]，有可能這些振動變形恰恰是真正的車體模態.綜合考慮，采用自由模態分析方法[13]，對車體模型不施加約束，在低頻0～20Hz范圍內進行有限元模態分析，并與采用B&K設備實測的車體運行模態試驗數據作對比.ANSYS軟件提取模態常用的BlockLanczos法，是將原特征值問題轉化為三角形特征值問題，具有計算速度快，精度高，對模型中存在的較差形狀單元也能較好地求解等優點.因此，采用BlockLanczos法求解車體模態.仿真結果及試驗對比見表1，車體前四階整車模態的凍結動畫振型見圖2～圖9.

表1 仿真結果與試驗對比

注：頻率差值為仿真結果與試驗結果之差.

圖2 仿真車體垂向、橫向一階菱形

圖3 試驗車體垂向、橫向一階菱形

圖4 仿真車體垂向一階彎曲

圖5 試驗車體垂向一階彎曲

圖6 仿真車體橫向一階彎曲

圖7 試驗車體橫向一階彎曲

圖8 仿真車體垂向一階扭曲

圖9 試驗車體垂向一階扭曲

由表1可知，在低頻0～20 Hz范圍內，ANSYS仿真識別出了車體10階模態，模態密集，特別是在10～20 Hz之間.其中前六階模態的頻率值接近零，這表示無約束的自由模態分析，能識別出車體進行無周期的剛體運動.剩余四階為整車模態，振型依次為一階垂向菱形+一階橫向菱形、一階垂向彎曲、一階橫向彎曲和一階垂向扭曲.通過對比仿真結果和試驗數據可以看出，仿真結果中7～10這四階與試驗測試的前四階振型相一致，且同一振型對應的頻率值相差很小，即便是相對誤差較大的一階橫向彎曲，其頻率差值也不大于0.7 Hz，符合工程要求.由此可以證明ANSYS仿真模型的建立是正確的，簡化處理是合理的，具有很高的可靠度，能夠有效的模擬車體振動，可用于車體結構優化等研究.仿真結果中第八階振型為車體垂向一階彎曲，對應的模態頻率為10.479 Hz，大于設計標準要求[14]的10 Hz，因此，車體能有效避開轉向架的工作頻率，防止共振現象產生，符合設計要求.

結構振型展示了結構固有振動形態.通過分析振型，易于找出結構薄弱之處，判斷產生振動的原因.從圖2～圖9各振型圖中可以看出，七車車體9.189 Hz激勵出的一階菱形振型，車體跨中相對位移較大，可達0.005 86 m.10.479 Hz激勵出的一階垂向彎曲振型，車體兩端相對位移也較大，為0.005 22 m.13.739 Hz激勵出的一階橫向彎曲振型，車體位移跨中較大，位移值在0.006 7 m以上.16.190Hz激勵出的一階扭轉振型，車體兩端相對位移也較大，可達0.005 93 m.由此可見，車體在不同振型下，振動位移較大的部位不盡相同，但從整體看，動車組在運行過程中，其跨中、兩端的振動幅度相對較大，設計時應給予考慮.從圖中還可以看出，不論是仿真結果還是試驗數據，在低頻范圍內，車體垂向較橫向更容易識別出振動模態.而且，就一階彎曲振型而言，橫向振動頻率高于垂向振動頻率，所以優化車體隔振性能時，應優先考慮車體垂向的振動.

4 結論

本文基于ANSYS有限元模態理論[15]，建立了CRH2G型車體的模態分析有限元模型，并對其進行了簡化處理，然后計算其在自由狀態下的振動響應.所建有限元模型的仿真結果與實測數據吻合，說明有限元模型是合理的，采用ANSYS仿真部分代替實測也是可行的，這有助于減少實測次數，節約試驗成本，縮短研發周期.

(1)仿真結果表明CRH2G型七車車體一階垂向彎曲模態頻率大于10Hz，符合設計標準要求[8]；

(2)避開轉向架等其它部件的工作頻率帶寬，可避免共振現象發生，但其頻率值10.479 Hz略低，建議車體有必要通過增加剛度等方法來提高其值；

(3)車體在10～20 Hz之間振型密集，為防止共振，其他部件自振頻率應盡量避開這一頻率區間；

(4)車體有彎曲、扭轉、菱形等振型，其跨中、兩頭振動幅度較大，設計優化時應重點考慮.

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Analysis of CRH2G High-Speed Train Body Vibration Performance based on ANSYS

WANG Wei1, ZHU Wei2

(1. School of Civil Engineering and Architecture Jiangxi Modern Polytechnic College, Nanchang 330095, China; 2. Nanchang Municipal Bureau of Land and Resources, Nanchang 330038，China)

ANSYS finite element software was used to model and simulate calculation for CRH2G seven car body. Then, the modal parameters of 4 car body were obtained and compared with modal test results to verify the validity of the finite element model. According to the results of the modal simulation analysis, intrinsic parameters, such as car body vibration frequency and vibration model, not only can provide a reference for the optimization design of car body vibration performance improvement, but also verify that one of the most important order vertical bending vibration mode of CRH2G type car body is more than 10 Hz, which complies with the design standards.

ANSYS; modal analysis; car body of CRH2G; vibration

1673- 9590(2017)04- 0056- 04

2016-11-07

王偉(1990-)，男，助教，碩士，主要從事接觸力學，模態振動等仿真工作的研究E- mail:137197049@qq.com.

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