动车组车辆车体结构的疲劳模态分析

动车组车辆车体结构的疲劳模态分析

王保瑞，李永涛，李林

（中车 长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062）

摘要：动车组车辆在车体设计过程中，要对车体结构模型针对实际运行工况及轮轨关系做模态分析，目的是为了保证车体外壳在实际运营环境中避免未知及不可接受的动态冲击，在做模态分析时要考虑其车体扭转及垂向弯曲性能，确保车体在模拟实际运行时的刚度，从而确保行车安全与乘客安全。

关键词：动车组 车体 模态分析 行车安全

1、前言

车体结构在生产制造后利用试验台设备对车体结构进行车体静强度试验、车体气密强度试验、模态以及整车模态（具体试验内容根据客户要求）等试验，同时也可兼顾车上关键部件（如过渡车钩、车体底架横梁、吊装结构、端部结构等）的强度等试验要求。车体静强度试验台可以进行高速列车、中低速客车、城轨车车体静强度试验、垂向、扭转、抬车、顶车、端墙事故等工况加载试验。具体包括：垂向载荷试验；纵向载荷试验；扭转载荷试验；顶车试验；抬车试验；车体气密性试验。具体如图1所示。

图1 车体强度试验台

本文旨在针对设计阶段对车体进行模型设计结束后，使用计算机辅助软件对所设计的模型加载一系列动态运营环境因素，通过分析得出仿真结果，针对仿真结果判断所设计结构的合理性，从而将风险及结构优化控制在设计阶段，避免成本浪费及人力损耗。

图2 动车组车体模态分析

2、动态模型分析算法原理

车体模态分析应用力学中的动力学知识进行计算，应用弹性力学知识的多维模型与对力限制或定义边界条件，使用等效微积分，最终可得到弹性体网络格式下的有限元方程。通过定义节点加速度向量、速度向量、位移向量及质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵与节点载荷向量等因子，对无阻尼结构模型的自有振动频率及振动物理模型进行理论预测，也可以为ANSYS有限元模态分析提供理论支撑。

3、相关知识扩展

高速化、轻量化是当今客运列车发展的两大时代主题,然而高速化和轻量化在减少运行时间和提高经济效益的同时也带来了更多的车辆强度问题。速度提高,车辆所受激扰频率增加,车辆部件疲劳问题不断出现;轻量化的同时车辆刚度下降,对结构设计要求更高。而在我国铁路客车不断提速,高速动车组应用范围不断扩大,为保证高速动车组运行的安全性和可靠性,高速动车组及其关键零部件的强度和抗疲劳能力必须满足设计和使用要求。从理论上证明在已知载荷模式和疲劳寿命的情况下反求部件所受载荷的可行性;然后建立在实际运行中出现问题的包含焊缝细节的高速动车组有限元模型并进行疲劳分析。在此基础上,利用疲劳载荷反求出动车组在线路运行中所受的等效疲劳载荷,对疲劳载荷反求公式的正确性进行证明,并将所求载荷应用到改进结构上,对结构件焊缝进行疲劳寿命分析。最后,对出现安全隐患的危险焊缝进行了疲劳寿命预测和疲劳失效原因分析。

4、结论

车辆在高速运行过程中，由于轨道环境因素限制及轮轨关系产生的震动原因等，车体会有非常明显高分贝噪音及共振，通过不断的创新性车体设计结构优化与改进，结构的改变会直接影响车体的模态参数，而模态参数又是车体设计中需要控制的因素，过低的一阶模态会影响行车安全，所以提前对模态设计进行管控是非常必要的，了解车体的各大部件模态组成以及改变某个或多个大部件对于整车的低阶模态产生的影响及结构改进设计会有很大的帮助。

参考文献

2. 谢素明,薛宁鑫,马梦琳. (2016).高速动车组车体模态分析建模方法及试验验证.大连交通大学学报,37(1),4.

[2] 李欣伟,高峰,张金艳,等.高速动车组车体模态分析.

[3] 曹辉.高速动车组车体振动控制与应变模态分析[D].西南交通大学,2016.

[4] 马梦林,付德龙,李东日,等.基于试验模态的列车振动特性的研究[C]//中国铁道学会车辆委员会动车. 2012.