基于弹性结构的轨道车辆振动分析

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车辆沿轨道运行时，由于轨道不平顺和轮轨相互作用，使车辆系统各部件产生位移、速度和加速度振动响应，尤其是车体的弹性振动直接影响旅客的乘座舒适性。车辆系统振动，不仅与线路状态有关，而且与车辆本身结构和悬挂系统有密切关系。目前，囝内外学者埘刚柔混合模型和车下设备对车辆动力学行能的影响做了相关研究 。研究结果表明，将车体 、构架以及轮对等结构视为刚性体在低逮睛况下是可以接受的，但在高速运行条件下，弹性结构的变形对系统动力学的影响不应忽略 。在仿真计算中，若将所有结构都考虑成弹性体，对计算机要求较高，且计算效率较低。为此，将车体和构架考虑成柔性结构，采用随机激扰方式，研究了车体平稳性和加速度均方根等车辆系统动力学等指标，同时分析了结构对加速度传递率的影响。

2车辆系统动力学模型的建立2.1车体与构架有限元模型随着柔性体系统动力学的发展，基于刚柔混合动力学的分析理论也日益完善[i-2.61。在研究车辆动力学性能时，结合工程实际，以某高速车辆为研究对象，在建模时将车体和构架考虑成弹性体。车体主要由底架、侧墙、车顶、端墙以及车体附件构成。在有限元软件中建立车体和构架的柔性模型，车体采用壳单元进行网格划分，全车共划分 125986节点，194475个单元，单元的厚度与实际的结构厚度-致。车下牵引变压器、牵引变流器、空调等相关吊挂设备采用耦合的方式与车体对应位置进行刚性连接。构架采用实体单元划分，共 400118节点，166053个单元。电机、制动钳等设备也采用耦合方式与构架进行刚性连接。同时将车体和构架的悬挂点与对应区域进行刚性耦合。车体和构架的有限元模型，如图 1所示。车体和构架的主要模态信息，如表 1所示。

(a)车体模型 (b)转向架模型图 l柔性结构有限元模型Fig.1 The Ansys Model of Elastic Structure表 1柔性车体和构架的固有频率Tab.1 The Frequency of Carbody and Bogie来稿日期：2012O7-17基金项目：国家自然科学基金项目(50823004)；十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAG10B01)作者简介：罗光兵，(1982-)，男，四川蓬溪人，博士研究生，主要研究方向：车辆动力学研究；曾 京，(1963-)男，湖南涟源人，教授，博士，主要研究方向：车辆动力学研究68 罗光兵等：基于弹性结构的轨道车辆振动分析 第 5期22刚柔耦合模型的建立为了能在Simpack中进行动力学计算，采用矩阵缩减方法对年体椰构架的有限元模型进行处理，同时计算出缩减矩阵和缩减自巾度解 。即在柔性结构的所有节点中，通过选取部分节点的自由度作为 臼fI度，将其它节点的自由度进行缩减～ Ansys中分析的1t体和构架的模态信息和结构信息文件导入到Simpack软件的前处理拈 FEMBS中，通过合理的模态选取，同时对联接点的局部模态作分析，从而得到标准的车辆系统柔性文件。通过自由度浓缩得到车辆系统的刚柔混合动力学模型，如图2所示。

2车辆系统动力学模型Fig.2 The Dynamic Model of Carbody System3仿真分析3.1轨道谱分析众所周知，在车辆的实际运行中，车体振动的来源主要是轨道激扰， 轨道状态是干变万化的。为了考察高速车辆对来 自轮轨午H互作j引起的各种强迫振动的振动效果，需要分析轨道谱的频率成分。京津线的高低不平顺轨道谱，如图 3所示。其激振频率会随列 运行速度的提高而线性增加，不同的速度等级下，不同轨道波K埘 体的影响也有差异。

空 侧绶长/m罔 3轨道高低不平顺谱Fig.3 The Wavelength of Track Irregularity从 3中可以看到，轨道谱空间波长主要集中在(1.4～20)m之fHj，以 6.5m的轨道板波长对应的能量最大，当车辆运行在240kndh左右时 ，该波长易与车体的-阶弯曲振动耦合 ，从而加剧乍体的弹性振动，影响车辆的运行品质 ，所以应该尽量避免车辆长期在该速度下运行。

3-2平稳性及加速度均方根分析车辆在实际线路运行时，平稳性和加速度均方根大小是衡量 体运行品质的重要指标。采用京津实测线路激扰分析车体的振动情况。车体中部和转向架上方的平稳性指标，如图4、图 5所J 。从 4、 5巾可以看出，构架作柔性结构考虑时，对车体中部的平稳性影响小大，而对转向架上方影响比较明显，其幅值增加3%左右。当车体考虑成弹性时，则平稳性指标变化明显，尤其是乍体-阶弯曲与轨道板波长发生共振时影响最大。在本算例中，共振区幅值增加了40%左右，在非共振区也增加了 20%E右，并且平稳性会随着速度的增加而增加。 此 ，在高速运行下，计算车体的平稳性指标时需将车体考虑成弹性，而构架对车体的平稳性影响不大，可视为刚性结构处理。

靼赳驻2·22.0姜 s趟1.614I.2100 150 200 250 300 350 400运行速度(kndh)图4车体中部垂向平稳性指标Fig.4 The Vertical Ride Quality atthe Center of Carbody100 150 200 250 300 350 400运行速度(km/h)图 5转向架 1-方垂向平稳性指标Fig.5 The Vertical Ride Quality above the Bogie of Carbody茸椒霸删是运行速度(km/h)图6构架垂向加速度均方根Fig.6 The Vertical RMS of Bogie运行速度(km/h)图7车体中部垂向加速度均方根Fig.7 The Vertical RMS at the Center of CarbodyNo.5Mav.2013 机 械 设 计与 制 造 69O400350.30运0.25娄0.200.15o.1o0.051oo 150 200 250 300 350 400运行速度(kH )图 8转向架上方垂向加速度均方根Fig.8 The Vertical RMS above the Bogie of Carbody不同柔性结陶对车体和构架n口速度均方根的影响，如图 图8所示。由于考虑弹 以后，车体和构架存在丰富的自振频率，在低速的情况下影响不大，随着速度的增加，柔性结构的加速度均方根都有明显增加的趋势。从图6图8中可以看出，考虑弹性结构时，构架的加速度均方根明显比刚性结构大，但对车体振动的贡献则是有限的。然而，车体存在弯曲、扭转以及呼吸等模态，在轨道谱的强迫振动下，弹性车体的振动远大于刚性车体。因此，在高速情况下对车体和构架的振动作分析时，则不能忽略弹性效应的影响。

3.3安全性对比分析0.550.5O0.45褂0400.35辑O-30O.250.20100 150 200 250 300 350 400运行速度(km/h)图9轮重减载率Fig.9 Wheel Unloading RatelUU l5O 2O0 250 300 350 400运行速度(km/h)图10倾覆系数Fig.10 Roll Coefficient为了保证车辆在线路上安全行驶，不发生任何倾覆和脱轨事件。在进行仿真计算时，有必要考虑弹性结构对轮轨正秤触的影响。对比了刚性结构和弹性结构对车体安全性的影响，如图9～图 l2所示。从图9、图 l0可以看出，随着速度的增加，在横向力的作用下，导致车轮-侧增载，-侧减载，离心力发生了变化，轮重减载和倾覆系数出现先减畜增加的趋势。同时可以判定弹性车体对轮重的影响不大，而弹性构架在高速运行时对安全指标的影响不能忽略。就本算例和所选轨道激扰而言，当构架考虑成弹性时 ，在高速情况下 ，轮重减载率增加了 6%左右，倾覆系数增加了9%左右。所以，构架作弹性处理时，对脱轨的影响比较大，安全 陛能评估时应考虑构架的弹性效应。

3.4传递率分析由于列车的运行受轨道的激扰，时域仿真不能完全表征轨道激扰的特性。在频域内通过传递甬数能够全面反映轨道激扰对构架和车体的传递规律。不同弹性结构时轴箱、构架和 体之间的传递规律 ，如图 11、图 12所示。由图 11、图 12可知，当车体考虑成弹性时，二系在车体的-阶弯曲频率以上的传递率较大，而弹性构架对二系传递率影响不大。-系的加速度传递率对刚性和弹性结构没有明显的区别。

褂啦0O，O0 l 1 l0频率(Hz)图 1l二系加速度传递率F l The Secotdary Acceleratio Fransmissihil，瓣魍垃型0O.00.J l 10频率(nz)图 12-系加速度传递率Fig.1 2 The Primary Acceleration Transmissibility5结论(1)在分析车体的平稳性时，车体的弹性结构贡献较大，其影响幅值在 20%以上。所以，对于车体振动的研究，需要将车体考虑成弹性，而构架则可以作刚性结构处理。(2)讨论构架振动时，在高速运行情况下，在弹性构架较刚性结构的振动大，其加速度均方根值比刚性结构增加了15%左右，轮重减载率以及倾覆系数等安全指标也会增加。所以，分析安全指标时必须考虑构架的弹性鼬 ，而车体的弹胜效应则可不予考虑。(3)在分析-系和二系传递关系时，弹性车体-阶弯曲频率以上的成分丰富，对二系的传递率影响ttzg大，建议作弹性结构考虑，而构架是否弹性影响不大，可视为刚性。

由于仿真分析中不易确定车体和构架的结构阻尼，在轨道激扰下，车体的振动相对实际的车体振动有所偏大，且不同的轨道激扰也会对车体的振动产生影响。 (下转第73页)0 0 O 0 0 0 O O O 籁峨 量No.5Mav.2013 机 械 设 计与 制 造 73a) b)图 10 NURBS曲线槽优化 1000代结构形式Fig.10 The Result after 1000 Generations Basedon Genetic Algorithm优化后曲线槽形状 ，如图 1O所示。分布有 6个槽，以240Hz频域响应分析为例，优化迭代 600代后 ，响应峰值为 0.035，相比迭代 100代后的响应值降低了0.065，相比开径向槽的响应值降低了0.085，。由以上结果可知，传统的径向和弧向槽对圆锯片的减振降噪效果没有经过遗传算法优化后的结果产生的效果好，遗传算法在600代左右达到收敛。优化结果比较，如表 1所示。

表 1优化结果比较Tab.1 Comparison of Optimization Result5结束语在满足-定刚度、强度等约束条件下，锯片基体开新的的几何结构形式的槽能够有效地降低锯片工作及空转过程中产生的振动与噪声。基于 NURBS曲线生成原理 ，提出-种改进的开槽几何表达方式，和基于遗传算法的进化设计过程很好地结合，生成最优化的 NURBS曲线槽 ，经分析证明，该种槽相对于传统的径向与弧向槽的减振降噪效果更显著，为开槽锯片的创新设计提供了-种新的思路。