車體結構振動與型材關系研究

屈晶晶

摘 要：本文以型材厚度為對象，初步研究車體結構振動和型材的關系。建立列車車體有限元模型，得到車體1階彈性模態頻率隨車體側墻尺寸的變化曲線。利用多項式擬合厚度與車體模態頻率的數學表達式分析其變化規律。

關鍵詞：振動與波;模態分析;型材厚度;固有頻率

1 緒論

合理的承載結構設計能減小車體振動。[1]既有研究多分析車體靜態參數或是強度，[2-5]若研究型材厚度對車體整車模態頻率的影響，再回歸分析得到厚度與對應模態頻率之間的數學表達式，為車體優化設計提供初步依據。

2 子結構對整車模態的影響

仿真采用某高速列車車體，初始參數：密度ρ=2700kg/m3，彈性模量E=7.0×1010Pa，內側側墻厚度3×10-3m，外側側墻厚度3.5×10-3m。1階彈性模態如圖1所示。

模態頻率大于10Hz，滿足文獻[7]的要求，因此在計算中，均只考慮整車該彈性模態。

改變車窗處側墻內外側厚度，計算工況如表1所示。

將計算結果利用MATLAB進行4階多項式擬合[6]（厚度非零），變化曲線如圖2～3所示。

由圖2～3，車窗處內側側墻厚度與整車各彈性模態的數學關系為：

可知內側側墻厚度增加，整車1階彈性模態變化趨勢為：

①垂彎固有頻率先增大后減小，在厚度為3.5×10-3m時最大（21.617Hz）。

②扭轉和菱形固有頻率先增大后平穩，扭轉固有頻率在厚度為4×10-3m時最大（31.879Hz），菱形固有頻率在厚度為3.5×10-3m時最大（22.984Hz）。

車窗處外側側墻厚度與整車各彈性模態的數學關系為：

可知外側側墻厚度增加，整車1階彈性模態變化趨勢為垂彎、扭轉和菱形固有頻率先增大后減小，垂彎固有頻率在厚度為4.5×10-3m時最大（21.632Hz），扭轉和菱形固有頻率在厚度為4×10-3m時最大（31.858Hz和22.951Hz）。

3 結語

①內側側墻厚度增加，垂彎固有頻率先增大后減小，在厚度為3.5×10-3m時最大;扭轉和菱形固有頻率先增大后逐漸平穩，在厚度為4×10-3m和3.5×10-3m時最大。

②外側側墻厚度增加，垂彎、扭轉和菱形固有頻率先增大后減小，垂彎固有頻率在厚度為4.5×10-3m時最大，扭轉和菱形固有頻率在厚度為4×10-3m時最大。

參考文獻：

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[2]VanDerAuweraerH，LiefoogheC，WyckaertK，etal.Comparative Study of Excitation and Parameter Estimation Techniques on a Fully Equipped Car[C].In Proceedings of IMAC11，the International Modal Analysis Conference，1993：627-633.

[3]李玉家，趙洪倫.基于頻率約束的高速客車車體承載結構優化[J].鐵道車輛，2000，38（1）：9-11.

[4]孫麗萍，王慧玲，等.封閉環結構在客車車體承載結構中的應用[J].大連鐵道學院學報，2003，24（4）：10-13.

[5]Matsuda K.Light Weight Design in the Car Body of Railway Rolling Stock.Journal of the Japan Society of Mechanical Engineers.1982，85（764）：716-721.

[6]干宇文.高速列車車體承載結構對車體模態特性的影響[D].12.

[7]200km/h及以上速度計鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范.