軌道車輛地板組合斷面模態試驗仿真驗證分析

竇曉亮

【摘要】結構力學中模態分析是研究系統在頻域中動態特性的一種方法，且廣泛應用于汽車、航天航空以及軌道車輛等領域。模態分析的目的是確定結構或系統在自由振動過程中的固有頻率及模態振型。模態研究目前主要采用試驗模態分析和仿真計算模態分析技術。將試驗模態和計算模態方法有機結合起來，做到相互驗證互為補充，能夠大大提高產品研發以及故障驗證的精度和效率。本文對比分析了軌道車輛地板組合斷面的模態試驗仿真數據，分析了試驗仿真結果誤差的原因，為以后的軌道車輛的振動模態研究提供有力的支撐。

【關鍵詞】模態試驗 復合材料 模態仿真 邊界條件 軌道車輛

軌道車輛在行駛過程中受到很多激勵，如輪軌激勵，氣動載荷激勵等。車輛的動態特性直接影響其振動舒適性、行駛平穩性、安全性及壽命。軌道車輛地板結構是評價車輛舒適性及平穩性等指標的直接載體，如何能準確的確定其動態特性對整車的性能優化有重大意義。

試驗模態分析和計算模態分析并非相互獨立，有著各自的優勢。計算模態方法可以節省大量的試驗投入以及試驗時間，提供研究效率。試驗模態方法作為確定系統模態振型的直接方法，其結果也可以用于修正計算模型。

試驗模態分析的精度受試驗邊界條件（系統的約束剛度）、傳感器選型及安裝方法、外界激勵源的施加方式、試驗人員的水平等因素影響。本文介紹了軌道車輛地板組合斷面模態試驗過程，結果分析評價方法，并與計算模態結果進行對比驗證，分析了兩者結果的誤差。

一、地板組合斷面模態試驗

（一）試驗試件

軌道車輛地板組合斷面（見圖1）主要由客室地板、車體地板及橡膠減振器三部分組成。客室地板為復合材料結構，由地板布、鋁型材、果木板、隔音海綿、橡膠等復合而成。車體地板為鋁型材結構。

（二）試驗情況簡介

此次試驗分別測試了客室地板和地板組合斷面結構的振動模態。模態測試的采樣頻率為512Hz，分析頻率為256Hz。試驗采用電磁激振器作為激勵源;數據采集設備使用LMS SCADAS III;加速度傳感器選用PCB的T33830。

（三）試驗方法

模態試驗采用多點激勵多點輸出的試驗方法，使用移動傳感器法對客室地板和地板組合斷面對應位置的振動加速度進行了測試。為了避免約束條件對測試結果的影響，此次試驗使用剛度很小的彈簧繩將試驗件吊掛，模擬結構的自由狀態。模態頻率識別使用多項式擬合法。

二、地板組合斷面模態試驗仿真驗證

（一）仿真模型

圖2為復合材料客室地板有限元仿真模型見圖2（左），建模采用殼單元（層合板）+體單元+殼單元（層合板）的方式。圖2（右）為地板組合斷面有限元仿真模型，其中橡膠減振器采用1維彈簧單元簡化，車體鋁型材地板使用殼單元。仿真計算模型無額外邊界條件，如此計算出來的模態頻率振型完全由地板組合斷面本身決定，不其他條件影響。

（二）客室地板模態試驗仿真驗證分析

計算模型使用ABAOUS求解器和Hyperview后處理軟件。考慮到車輛舒適度重點考察的頻率范圍以及試驗測點布置數量，此次模態頻率振型分析范圍為0Hz-100Hz，表1為試驗模態和計算模態結果對比。從表中可以看出，模態試驗仿真結果的匹配度較好，模態頻率誤差小于6%。

表2為地板組合斷面試驗模態和計算模態結果對比。從表中可以看出，在OHz-5OHz范圍內模態試驗仿真結果的匹配度較好，模態頻率誤差小于6%。5OHz以上模態振型匹配度較差。

（四）誤差分析

無論采用試驗模態和計算模態哪種分析技術，得到的結果必然與實際系統之間存在著誤差。試驗過程中的任何一個步驟都可能對模態識別結果造成影響，例如激勵信號的信噪比，激勵信號的形式，激勵持續時間，測試邊界條件，傳感器的特性等。仿真計算的誤差首先是建模誤差，如接觸的定義、結構的簡化方式、非線性因素的影響，其次是模型中物理參數不能完全與實際情況吻合。

三、結論

本文對比分析了軌道車輛地板組合斷面試驗模態和計算模態的結果。在低頻區域50Hz以下，模態頻率振型的匹配度較高。由于受系統阻尼特性、結構非線性、仿真模型簡化方式等影響，在高階頻率范圍內，模態頻率振型匹配性較差。