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车体结构振动与型材关系研究

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屈晶晶

摘要：本文以型材厚度为对象，初步研究车体结构振动和型材的关系。建立列车车体有限元模型，得到车体1阶弹性模态频率随车体侧墙尺寸的变化曲线。利用多项式拟合厚度与车体模态频率的数学表达式分析其变化规律。

关键词：振动与波;模态分析;型材厚度;固有频率

1 绪论

合理的承載结构设计能减小车体振动。[1]既有研究多分析车体静态参数或是强度，[2-5]若研究型材厚度对车体整车模态频率的影响，再回归分析得到厚度与对应模态频率之间的数学表达式，为车体优化设计提供初步依据。

2 子结构对整车模态的影响

仿真采用某高速列车车体，初始参数：密度ρ=2700kg/m3，弹性模量E=7.0×1010Pa，内侧侧墙厚度3×10-3m，外侧侧墙厚度3.5×10-3m。1阶弹性模态如图1所示。

模态频率大于10Hz，满足文献[7]的要求，因此在计算中，均只考虑整车该弹性模态。

改变车窗处侧墙内外侧厚度，计算工况如表1所示。

将计算结果利用MATLAB进行4阶多项式拟合[6]（厚度非零），变化曲线如图2～3所示。

由图2～3，车窗处内侧侧墙厚度与整车各弹性模态的数学关系为：

可知内侧侧墙厚度增加，整车1阶弹性模态变化趋势为：

①垂弯固有频率先增大后减小，在厚度为3.5×10-3m时最大（21.617Hz）。

②扭转和菱形固有频率先增大后平稳，扭转固有频率在厚度为4×10-3m时最大（31.879Hz），菱形固有频率在厚度为3.5×10-3m时最大（22.984Hz）。

车窗处外侧侧墙厚度与整车各弹性模态的数学关系为：

可知外侧侧墙厚度增加，整车1阶弹性模态变化趋势为垂弯、扭转和菱形固有频率先增大后减小，垂弯固有频率在厚度为4.5×10-3m时最大（21.632Hz），扭转和菱形固有频率在厚度为4×10-3m时最大（31.858Hz和22.951Hz）。

3 结语

①内侧侧墙厚度增加，垂弯固有频率先增大后减小，在厚度为3.5×10-3m时最大;扭转和菱形固有频率先增大后逐渐平稳，在厚度为4×10-3m和3.5×10-3m时最大。

②外侧侧墙厚度增加，垂弯、扭转和菱形固有频率先增大后减小，垂弯固有频率在厚度为4.5×10-3m时最大，扭转和菱形固有频率在厚度为4×10-3m时最大。

参考文献：

[1]任晋峰.高铁车辆车体振动基础性研究[D].大连：大连交通大学，2012-6.

[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，赵洪伦.基于频率约束的高速客车车体承载结构优化[J].铁道车辆，2000，38（1）：9-11.

[4]孙丽萍，王慧玲，等.封闭环结构在客车车体承载结构中的应用[J].大连铁道学院学报，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.高速列车车体承载结构对车体模态特性的影响[D].12.

[7]200km/h及以上速度计铁道车辆强度设计及试验鉴定规范.

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