基于應變能法的鐵道客車車體垂彎頻率優化研究

湯勁松， 徐 聰， 李家寶， 王云鵬

(中車青島四方車輛研究所有限公司 技術中心， 山東青島 266031)

近年來隨著我國鐵道客車的快速發展，車體模態參數識別已經成為鐵道客車產品開發及車輛驗收過程中的一項重要工作，車體固有振動特性逐漸備受關注。在評判標準上，TB/T 3115-2005《機車車輛動力學性能臺架試驗方法》中明確規定：整備車的車體一階垂向彎曲頻率應有效避開轉向架的點頭和沉浮頻率或一階垂向彎曲自振頻率不低于10 Hz，避免車體發生垂向共振[1]。對于新研發的車體無法通過模態試驗或剛剛滿足標準的情況時有發生，目前鐵道客車車體模態參數提高往往基于經驗，關于如何準確快速的對現有模態參數進行提高缺少有效的指導。通過借鑒汽車行業關于應變能方面的研究[2]，首先通過有限元和試驗模態分析方法獲取了某鐵道客車碳鋼車體的模態參數，同時對車體低階模態頻率進行對比分析，以驗證模型的準確性；其次通過車體應變能分析，獲取車體剛度薄弱部位；最后通過結構優化為車體一階垂彎頻率的提高提出優化方案。

1 基本理論

彈性固體受外力作用而變形。在變形過程中，外力所作的功將轉變為儲存于彈性固體內的能量。彈性固體在外力作用下，因變形而儲存的能量稱為應變能[3]。

對于軸向拉伸或壓縮桿件，在線彈性范圍內其應變能可表示為：

(1)

對于純彎曲桿件其應變能可表示為：

(2)

式(1)和式(2)中，Vε為應變能；F為拉力或壓力；……