淺談模態測試在高速列車車體振動分析中的應用

張向海 郭 璇 李成福

中車長春軌道客車股份有限公司

淺談模態測試在高速列車車體振動分析中的應用

張向海 郭 璇 李成福

中車長春軌道客車股份有限公司

利用模態測試技術可以對車體的振動進行動態分析和評價，此測試技術是高速列車車體結構動態設計與整車性能優化的重要方法。本文對高速列車A車車體的模態試驗過程和結果進行了描述，并獲得了A車車體的模態參數，為車體動態性能分析與設計提供了試驗依據。

模態；高速列車；試驗

1 引言

隨著高速鐵路的快速發展，車體輕量化設計憑借降低制造成本以及減小輪軌相互作用力等優點己被普遍采用，但輕量化設計會導致車體結構整體剛度減弱，從而導致車體發生異常振動。因此，高速列車車體的安全問題備受關注。如何在“高速”和“安全”中求得一個平衡至關重要。本文對模態測試技術在高速列車A車車體振動分析中的應用進行闡述，通過模態測試技術中獲得的模態參數，可以對車體的結構設計參數進行優化和改進，以提供車體的動態性能。

2 測試原理與模態參數識別方法

測試采用電動激振原理測量車體振動模態參數，當電動激振器激勵車體結構時，車體產生振動。經數據采集系統采集激振力和各測點的加速度響應時域信號。經數據處理可得激振的力譜和車體結構上的響應與激勵相對應的加速度譜。由于激振力譜是通過信號發生器產生有限帶寬激勵譜，在車體結構上的響應是與激勵相對應帶寬加速度譜。通過測試信號進行自功率譜和互功率譜計算；根據多次平均，用HV估計法求得頻響函數的最小二乘近似值，得出激振產生的各點頻響函數[1]。

根據測量的各測點頻響函數，運用模態參數識別原理，對車體的振動固有頻率、振型和阻尼進行參數識別。本試驗運用比利時LMS Test.Lab Modal Analysis and PolyMAX(最小二乘復頻域法)模態分析軟件模塊進行參數識別。

3 測試點的選取

測點布置的原則分為兩部分：一是布置于車體主要框架、車體底部縱梁上；二是布置于車體底架、側墻和車頂。車體分為12個斷面，每個斷面共12個測點，共布置144個測點。

表1 高速列車A車車體模態頻率、阻尼比與振型分析

4 試驗過程

(1)布置測點并應用軟件建立幾何模型；

(2)安裝電磁激振器和加速度傳感器；

(3)測試系統調試并進行預試驗：

(4)各測點頻響函數試驗，監測各測點相干函數和頻響函數；

(5)模態分析預處理；

(6)對測量結果不理想測點進行分析和補測頻響函數；

(7)應用LMS Test.Lab Modal Analysis模塊和PolyMAX模塊進行模態分析。

5 試驗結果及分析

5.1 模態參數識別

模態參數識別是采用最小二乘復頻域法，計算各響應點對激勵力的頻響函數，然后把各測點的全部頻響函數按幅值求和，使峰值信息集中在系統綜合頻響函數之和中，形成模態參數識別的穩態圖。將所選頻帶寬度確定為5Hz-40Hz，在模態參數識別的穩態圖“穩定極點”處選擇極點，對選定的極點進行模態向量估計，最終得到A車車體結構模態頻率、振型和阻尼比。

5.2 試驗分析結果

高速列車A車車體結構模態頻率、阻尼比與振型分析見表1。

6 結論

在高速列車A車車體振動分析中，采用模態測試技術對車體進行動態分析和評價已成為對車體性能優化進行評估的有效手段之一。試驗分析表明：

(1)通過對高速列車A車車體結構進行模態試驗和分析得到了被試車體結構的模態參數。

(2)基于Polymax算法產生的穩態圖可以識別強阻尼和密集的模態。

(3)模態試驗分析為車體動態性能分析與設計提供了試驗依據，同時，對有限元結果起到了一定的驗證作用，進而為車體的設計與改進提供依據。

[1]俞云書.結構模態試驗分析[M].北京：宇航出版社，2000：15-67.