论文部分内容阅读
摘要：文章对高速动车组用半包间结构进行研究分析，半包间采用多级模块化设计方案，选用铝型材以及钢化夹胶夹绢玻璃等结构，这些设计结构有效地防止了高速车运行过程中，空气阻力引起的振动冲击对半包间强度破坏和振动噪音的影响，增强了车内的舒适性能。针对此种结构，采用有限元振动模态分析的方法，对其进行仿真分析，得到其最低振动模态频率为20.532Hz，避免了与车体共振的发生。从而证实了此半包间结构满足高速动车组的运营条件要求，具有良好的抗振动性能，满足其舒适性能要求。
关键词：半包间；有限元分析；模态分析；振动分析
中图分类号：U266 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）01-0129-03
1 概述
随着人们生活水平的提高以及我国铁路事业的发展，高速、便捷、舒适的铁路运输车辆不断出现，以满足人民群众生活生产工作的需要。伴随高速度要求，空气动阻力已成为列车主要的影响因素，空气气流引起的振动噪声影响客室的舒适性。一般来说，为了避免共振现象，系统的固有频率应避开振动激励的频率，两者比值应大于2.5，称其为倍频法则。但在宽带振动环境中，这是做不到的，只能做到降低共振峰值、传递率和相关耦合率。本文对动车组中使用的半包间结构设计进行研究，并对其进行振动模态分析，从而证实其满足现行设计要求，可为以后新车型的设计提供参考。
2 半包间结构设计研究
2.1 间壁结构设计
动车组半包间设计采用多级模块化结构设计，以保证安装和检修方便。例如间壁玻璃破损后，整个模块更换时间大约20分钟。其总体如图1所示，分为间壁模块1、间壁模块2、间壁模块3和间壁模块4。
图1 半包间组成
图2 半包间间壁
每个模块可以单独安装，且下面的子模块可以单独拆卸和维修。如图2所示，间壁模块4的子模块中间壁部分包括间壁41、间壁42和连接立柱43，连接立柱43型材带有凹槽，间壁41和42型材带有凸起，间壁41通过43和42连接成为一个整体，并采用螺栓连接。若其中任一破损均可单独拆下维修。间壁采用铝型材和双层钢化夹胶夹绢玻璃组成，玻璃与铝型材采用胶接技术，上部覆盖板以及下部检修板等相关附属部件与铝型材采用3M尼龙搭扣连接方式，夹绢玻璃胶接结构和3M尼龙搭扣连接方式既保证设计的美观性能，强度要求，又可以减少列车振动冲击对间壁部件的影响。
2.2 门系统结构设计
半包间采用电控电动双开内藏式移门，如图3所示，主要包括门扇、控制系统、门机构和门槛部件等，各个部分采用模块化设计，便于安装和维修。门扇采用钢化夹胶夹绢玻璃组成，门扇前沿设有防撞结构。门机构分为动力部分和非动力部分。动力部分带有门控器、电机、门导轨等。非动力部分不带门控器和电机，动力部分和非动力部分通过钢丝绳连接，通过钢丝绳动力部分带动非动力部分协调运动。门系统具有自动、手动和隔离等功能。
图3 门系统结构
图4 与车体底架连接结构
图5 与车体侧墙连接结构
2.3 外部接口设计
半包间与车体的接口采用柔性连接的方式进行，主要的连接部位为车体地板和车体侧墙，与车体底架的连接结构如图4所示。半包间底部铝型材安置在木地板上，通过螺栓与支架上的活螺母紧固，支架与支架铝板采用螺栓紧固件连接，支架铝板焊接在车体铝底架上。在木地板与支架、支架与支撑铝板之间安装有弹性胶垫。此种结构使半包间与车体底架之间具有良好的柔性，减少车体振动冲击对半包间结构的影响。
半包间与车体侧墙的连接结构如图5所示。半包间侧部铝型材通过连接支架与车体侧墙连接。采用螺栓将连接支架紧固在车体的安装架上，铝型材与连接支架采用螺栓与卡式螺母连接，在紧固过程中，预紧力为一定值，保证卡式螺母在开口内可以有微量的滑动。此种结构近似为柔性连接，可以减少由于车体内外压差引起车体横向变形对半包间的影响。
3 半包间振动模态分析
3.1 模态分析简介
模态分析就是以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法，其经典定义是：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组模态坐标及模态参数的独立方程，以便求出系统的模态参数。模态参数主要包括模态频率（固有频率）、模态向量（振型）、模态阻尼（阻尼系数）以及模态质量等。模态分析的目的是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
3.2 有限元模态仿真分析建模与参数
本文采用有限元法对动车组半包间三维模型进行振动模态分析，采用的模型为solidworks三维软件绘制的实体模型。采用有限元分析软件MSC/Patran、Nastran进行分析和处理。材料参数如表1所示。
根据实际安装情况，按照包间个各间壁与周围部件的接口方式进行施加全约束。
3.3 有限元仿真分析结果
采用振型叠加法，为得到精确的仿真结果，要保证在振动主方向上的总质量超过模型中可运动质量的90%，仿真中提取了四种模型的前三十阶固有频率和振型。其中前6阶固有频率和前4阶振型如下：
间壁模块1、2、3、4的前6阶固有频率详细结果见表2。
间壁模块的一至四阶振型分别如图6至9所示。
图6 间壁模块5一阶振型
图7 间壁模块1二阶振型
3.4 仿真结果分析
通过表2，以及图6至9可以看出，对于固定点和方式相同的间壁质量大的其同阶共振频率比较大。最低模态频率f为20.532Hz（列车自身频率为10～13Hz），高出列车自身频率的1.5倍以上，有效避免了共振现象的产生。现列车已经在京沪高铁运输线上运行，在实际运行过程中并未产生共振现象，而且由于在实际安装过程中采取柔性连接，进一步避免了共振的发生。
4 结语
本文通过对半包间结构的研究分析，并采用有限元模态分析的方法对其三维结构进行分析，得到其可以满足高速动车组运行环境的要求，可以保证其运行过程中振动冲击对其性能的影响。并得到如下结论：
（1）此种结构半包间振动最低模态频率为20.532Hz，远高于列车自身频率10～13Hz，有效避免了共振现象的
产生。
（2）由于仿真分析是建立在车体刚性连接的基础上，实际过程中，半包间与车体采用柔性技术连接，更进一步保证了车体振动变形对其强度和振动方面的影响，可以满足列车的舒适性能。
图8 间壁模块1三阶振型
图9 间壁模块1四阶振型
（3）通过对半包间结构振动性能的仿真分析，为进一步对半包间等结构优化设计，提供了理论依据。
参考文献
[1] 谭宇轩，夏军.车载电子设备的抗振设计与分析[J].
零八一科技，2007，（2）：39-43.
[2] 曹树谦，张文德，萧龙翔.振动结构模态分析：理
论、实验与应用[M].天津：天津大学出版社，2001.
[3] 傅志方，华宏星.模态分析、理论与应用[M].上
海：上海交通大学出版社，2000.
[4] 鲍丙豪，赵洪利，等.基于ABAQUS的印刷电路板组
件模态研究[J].机械设计与制造，2009，（4）.
作者简介：赵凤启，男，唐山轨道客车有限责任公司产品研发中心高级工程师，研究方向：轨道车辆研发
设计。
关键词：半包间；有限元分析；模态分析；振动分析
中图分类号：U266 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）01-0129-03
1 概述
随着人们生活水平的提高以及我国铁路事业的发展，高速、便捷、舒适的铁路运输车辆不断出现，以满足人民群众生活生产工作的需要。伴随高速度要求，空气动阻力已成为列车主要的影响因素，空气气流引起的振动噪声影响客室的舒适性。一般来说，为了避免共振现象，系统的固有频率应避开振动激励的频率，两者比值应大于2.5，称其为倍频法则。但在宽带振动环境中，这是做不到的，只能做到降低共振峰值、传递率和相关耦合率。本文对动车组中使用的半包间结构设计进行研究，并对其进行振动模态分析，从而证实其满足现行设计要求，可为以后新车型的设计提供参考。
2 半包间结构设计研究
2.1 间壁结构设计
动车组半包间设计采用多级模块化结构设计，以保证安装和检修方便。例如间壁玻璃破损后，整个模块更换时间大约20分钟。其总体如图1所示，分为间壁模块1、间壁模块2、间壁模块3和间壁模块4。
图1 半包间组成
图2 半包间间壁
每个模块可以单独安装，且下面的子模块可以单独拆卸和维修。如图2所示，间壁模块4的子模块中间壁部分包括间壁41、间壁42和连接立柱43，连接立柱43型材带有凹槽，间壁41和42型材带有凸起，间壁41通过43和42连接成为一个整体，并采用螺栓连接。若其中任一破损均可单独拆下维修。间壁采用铝型材和双层钢化夹胶夹绢玻璃组成，玻璃与铝型材采用胶接技术，上部覆盖板以及下部检修板等相关附属部件与铝型材采用3M尼龙搭扣连接方式，夹绢玻璃胶接结构和3M尼龙搭扣连接方式既保证设计的美观性能，强度要求，又可以减少列车振动冲击对间壁部件的影响。
2.2 门系统结构设计
半包间采用电控电动双开内藏式移门，如图3所示，主要包括门扇、控制系统、门机构和门槛部件等，各个部分采用模块化设计，便于安装和维修。门扇采用钢化夹胶夹绢玻璃组成，门扇前沿设有防撞结构。门机构分为动力部分和非动力部分。动力部分带有门控器、电机、门导轨等。非动力部分不带门控器和电机，动力部分和非动力部分通过钢丝绳连接，通过钢丝绳动力部分带动非动力部分协调运动。门系统具有自动、手动和隔离等功能。
图3 门系统结构
图4 与车体底架连接结构
图5 与车体侧墙连接结构
2.3 外部接口设计
半包间与车体的接口采用柔性连接的方式进行，主要的连接部位为车体地板和车体侧墙，与车体底架的连接结构如图4所示。半包间底部铝型材安置在木地板上，通过螺栓与支架上的活螺母紧固，支架与支架铝板采用螺栓紧固件连接，支架铝板焊接在车体铝底架上。在木地板与支架、支架与支撑铝板之间安装有弹性胶垫。此种结构使半包间与车体底架之间具有良好的柔性，减少车体振动冲击对半包间结构的影响。
半包间与车体侧墙的连接结构如图5所示。半包间侧部铝型材通过连接支架与车体侧墙连接。采用螺栓将连接支架紧固在车体的安装架上，铝型材与连接支架采用螺栓与卡式螺母连接，在紧固过程中，预紧力为一定值，保证卡式螺母在开口内可以有微量的滑动。此种结构近似为柔性连接，可以减少由于车体内外压差引起车体横向变形对半包间的影响。
3 半包间振动模态分析
3.1 模态分析简介
模态分析就是以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法，其经典定义是：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组模态坐标及模态参数的独立方程，以便求出系统的模态参数。模态参数主要包括模态频率（固有频率）、模态向量（振型）、模态阻尼（阻尼系数）以及模态质量等。模态分析的目的是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
3.2 有限元模态仿真分析建模与参数
本文采用有限元法对动车组半包间三维模型进行振动模态分析，采用的模型为solidworks三维软件绘制的实体模型。采用有限元分析软件MSC/Patran、Nastran进行分析和处理。材料参数如表1所示。
根据实际安装情况，按照包间个各间壁与周围部件的接口方式进行施加全约束。
3.3 有限元仿真分析结果
采用振型叠加法，为得到精确的仿真结果，要保证在振动主方向上的总质量超过模型中可运动质量的90%，仿真中提取了四种模型的前三十阶固有频率和振型。其中前6阶固有频率和前4阶振型如下：
间壁模块1、2、3、4的前6阶固有频率详细结果见表2。
间壁模块的一至四阶振型分别如图6至9所示。
图6 间壁模块5一阶振型
图7 间壁模块1二阶振型
3.4 仿真结果分析
通过表2，以及图6至9可以看出，对于固定点和方式相同的间壁质量大的其同阶共振频率比较大。最低模态频率f为20.532Hz（列车自身频率为10～13Hz），高出列车自身频率的1.5倍以上，有效避免了共振现象的产生。现列车已经在京沪高铁运输线上运行，在实际运行过程中并未产生共振现象，而且由于在实际安装过程中采取柔性连接，进一步避免了共振的发生。
4 结语
本文通过对半包间结构的研究分析，并采用有限元模态分析的方法对其三维结构进行分析，得到其可以满足高速动车组运行环境的要求，可以保证其运行过程中振动冲击对其性能的影响。并得到如下结论：
（1）此种结构半包间振动最低模态频率为20.532Hz，远高于列车自身频率10～13Hz，有效避免了共振现象的
产生。
（2）由于仿真分析是建立在车体刚性连接的基础上，实际过程中，半包间与车体采用柔性技术连接，更进一步保证了车体振动变形对其强度和振动方面的影响，可以满足列车的舒适性能。
图8 间壁模块1三阶振型
图9 间壁模块1四阶振型
（3）通过对半包间结构振动性能的仿真分析，为进一步对半包间等结构优化设计，提供了理论依据。
参考文献
[1] 谭宇轩，夏军.车载电子设备的抗振设计与分析[J].
零八一科技，2007，（2）：39-43.
[2] 曹树谦，张文德，萧龙翔.振动结构模态分析：理
论、实验与应用[M].天津：天津大学出版社，2001.
[3] 傅志方，华宏星.模态分析、理论与应用[M].上
海：上海交通大学出版社，2000.
[4] 鲍丙豪，赵洪利，等.基于ABAQUS的印刷电路板组
件模态研究[J].机械设计与制造，2009，（4）.
作者简介：赵凤启，男，唐山轨道客车有限责任公司产品研发中心高级工程师，研究方向：轨道车辆研发
设计。