高速动车组车体模态特性研究

王鹏宋明阳惠美玲杨玉喜

摘要：针对轨道不平顺及设备运转使高速动车组运行过程中产生复杂的振动，严重降低乘坐舒适性和行驶安全性等问题，对车体进行模态特性分析，以改善车辆的动态响应特性。建立某高速动车组车体有限元模型，计算整备车体质量条件下的振动模态，得到模态频率和振型的变化规律，可为车体结构优化设计及新产品开发提供理论依据。

关键词：高速动车组；车体结构；有限元分析；模态频率

前言

随着轨道交通的飞速发展，乘客对乘车环境的要求日益提高。车辆的乘坐舒适性成为衡量车体性能的一个重要指标。车辆在运行过程中会因轨道的不平顺、设备运转以及车辆悬挂系统自身的特征，使车辆产生复杂的振动，影响旅客的乘坐舒适性和安全性。为保证动车组运行中具有良好的车体结构振动特性，需对车体的模态进行分析。

1车体结构特点

高速动车组车体使用的材料主要是铝合金，由大型中空铝合金型材组焊而成，具有良好的防腐性能，其承载结构为筒型整体承载结构；这种结构不仅使车体的质量较轻，而且能够有效地减少车体结构的零部件种类、降低生产成本、改良制造工艺性，同时具有较好的截面刚度特性和较高车体强度，从而可提高动车组车体整体刚度、乘坐舒适性和安全性。

根据动车组车体外形分为头车和中间车两种，车体由铝型材和板材通过插接、搭接、对接等形式焊接成大部件，再经组对、拼接成整个车体。中间车车体主要由底架、侧墙、端墙、车顶及车体附件等部分组成。头车设有司机室，司机室采用较大截面的有压筋墙顶板与梁柱组焊而成，参与车体整体承载。如果发生低速撞车事故，头车的结构设计能够给司机提供一个安全空间。

2模态分析基本理论

车体在运行过程中承受多种激励载荷的共同作用，属于复杂的力学系统，分析和确定结构的固有频率和振型一般采用有限单元法。车体结构经过有限单元离散和变分，可得车体振动动力学方程为：

（1）

式中，矩阵、和分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，为作用力向量，、和分别为车体振动的位移向量、速度向量和加速度向量。

由于模态是系统结构的固有特性，与外部的载荷条件无关，即，并忽略阻尼的

影响，得到系统无阻尼自由振动方程为：

（2）

在自由振动时，结构上各点作简谐振动，假设简谐振动的方程为：

（3）

式中，为车体振动幅值向量，即：车体振型向量，w为车体自由振动角频率，由式（2）代入式（3）可得：

（4）

上式有非零解的条件是其系数行列式等于零，可得：

（5）

通过求解可得到车体各阶模态频率和相应振型。

3车体有限元模型及模态分析

3.1车体有限元模型

我国《200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及实验鉴定暂行规定》要求整备车体一阶弯曲频率应不低于10Hz。本文利用HyperMesh软件建立车体有限元模型，通过ANSYS有限元软件分析计算。

动车组车体的零部件基本上都是薄壁构件，整车结构采用四边形薄壳单元模拟，对重要部位进行局部网格细划。建模时，车体的内装、门窗、座椅等重要部件都以质量点方式附加到实际的安装基点上。同样，车下吊挂设备采用质量点刚性耦合（rbe3单元）方式吊挂在车体上，确保模型接近车体实际情况。

整车模型共有单元1642772个，节点1193938个，有限元模型如图1所示。计算时取：泊松比=0.334；弹性模量E=71GPa；密度=2.71103kg/m3。

图1头车车体有限元模型

3.2车体整备质量条件下模态

车体整备质量即车下含吊挂设备时车体质量，此时质量为34.8吨。设备采用刚性吊挂方式连接在车体上。车体前6阶模态分析结果见表2。

表2含吊挂设备时车体整备模态

结果表明，第一阶振型为中部菱形振动；第二阶振型为整体呼吸与底架弯曲振动，车体模态频率为12.66Hz，符合设计标准；第四阶振型为车体一阶扭转，空调口处局部变形较大，必要时应增加空调框位置的刚度。第六阶模态振型为车体三阶呼吸振动，底架和侧墙振动变形较大。

4结论

本文通过对高速动车组车体进行模态分析，得到车体模态频率和振型的变化规律。车体一阶垂向弯曲频率为12.66Hz，满足设计标准，说明车体有限元模型能够反映车体结构特性和实际承载能力，可为车体优化设计提供理论依据，进一步提高车辆运行品质和行车安全。

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