張向海 郭 璇 李成福

中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司

淺談模態(tài)測(cè)試在高速列車車體振動(dòng)分析中的應(yīng)用

張向海 郭 璇 李成福

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利用模態(tài)測(cè)試技術(shù)可以對(duì)車體的振動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和評(píng)價(jià)，此測(cè)試技術(shù)是高速列車車體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與整車性能優(yōu)化的重要方法。本文對(duì)高速列車A車車體的模態(tài)試驗(yàn)過程和結(jié)果進(jìn)行了描述，并獲得了A車車體的模態(tài)參數(shù)，為車體動(dòng)態(tài)性能分析與設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)依據(jù)。

模態(tài)；高速列車；試驗(yàn)

1 引言

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，車體輕量化設(shè)計(jì)憑借降低制造成本以及減小輪軌相互作用力等優(yōu)點(diǎn)己被普遍采用，但輕量化設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致車體結(jié)構(gòu)整體剛度減弱，從而導(dǎo)致車體發(fā)生異常振動(dòng)。因此，高速列車車體的安全問題備受關(guān)注。如何在“高速”和“安全”中求得一個(gè)平衡至關(guān)重要。本文對(duì)模態(tài)測(cè)試技術(shù)在高速列車A車車體振動(dòng)分析中的應(yīng)用進(jìn)行闡述，通過模態(tài)測(cè)試技術(shù)中獲得的模態(tài)參數(shù)，可以對(duì)車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以提供車體的動(dòng)態(tài)性能。

2 測(cè)試原理與模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法

測(cè)試采用電動(dòng)激振原理測(cè)量車體振動(dòng)模態(tài)參數(shù)，當(dāng)電動(dòng)激振器激勵(lì)車體結(jié)構(gòu)時(shí)，車體產(chǎn)生振動(dòng)。經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集激振力和各測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)時(shí)域信號(hào)。經(jīng)數(shù)據(jù)處理可得激振的力譜和車體結(jié)構(gòu)上的響應(yīng)與激勵(lì)相對(duì)應(yīng)的加速度譜。由于激振力譜是通過信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生有限帶寬激勵(lì)譜，在車體結(jié)構(gòu)上的響應(yīng)是與激勵(lì)相對(duì)應(yīng)帶寬加速度譜。通過測(cè)試信號(hào)進(jìn)行自功率譜和互功率譜計(jì)算；根據(jù)多次平均，用HV估計(jì)法求得頻響函數(shù)的最小二乘近似值，得出激振產(chǎn)生的各點(diǎn)頻響函數(shù)[1]。

根據(jù)測(cè)量的各測(cè)點(diǎn)頻響函數(shù)，運(yùn)用模態(tài)參數(shù)識(shí)別原理，對(duì)車體的振動(dòng)固有頻率、振型和阻尼進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。本試驗(yàn)運(yùn)用比利時(shí)LMS Test.Lab Modal Analysis and PolyMAX(最小二乘復(fù)頻域法)模態(tài)分析軟件模塊進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。

3 測(cè)試點(diǎn)的選取

測(cè)點(diǎn)布置的原則分為兩部分：一是布置于車體主要框架、車體底部縱梁上；二是布置于車體底架、側(cè)墻和車頂。車體分為12個(gè)斷面，每個(gè)斷面共12個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置144個(gè)測(cè)點(diǎn)。

表1 高速列車A車車體模態(tài)頻率、阻尼比與振型分析

4 試驗(yàn)過程

(1)布置測(cè)點(diǎn)并應(yīng)用軟件建立幾何模型；

(2)安裝電磁激振器和加速度傳感器；

(3)測(cè)試系統(tǒng)調(diào)試并進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)：

(4)各測(cè)點(diǎn)頻響函數(shù)試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)相干函數(shù)和頻響函數(shù)；

(5)模態(tài)分析預(yù)處理；

(6)對(duì)測(cè)量結(jié)果不理想測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析和補(bǔ)測(cè)頻響函數(shù)；

(7)應(yīng)用LMS Test.Lab Modal Analysis模塊和PolyMAX模塊進(jìn)行模態(tài)分析。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 模態(tài)參數(shù)識(shí)別

模態(tài)參數(shù)識(shí)別是采用最小二乘復(fù)頻域法，計(jì)算各響應(yīng)點(diǎn)對(duì)激勵(lì)力的頻響函數(shù)，然后把各測(cè)點(diǎn)的全部頻響函數(shù)按幅值求和，使峰值信息集中在系統(tǒng)綜合頻響函數(shù)之和中，形成模態(tài)參數(shù)識(shí)別的穩(wěn)態(tài)圖。將所選頻帶寬度確定為5Hz-40Hz，在模態(tài)參數(shù)識(shí)別的穩(wěn)態(tài)圖“穩(wěn)定極點(diǎn)”處選擇極點(diǎn)，對(duì)選定的極點(diǎn)進(jìn)行模態(tài)向量估計(jì)，最終得到A車車體結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率、振型和阻尼比。

5.2 試驗(yàn)分析結(jié)果

高速列車A車車體結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率、阻尼比與振型分析見表1。

6 結(jié)論

在高速列車A車車體振動(dòng)分析中，采用模態(tài)測(cè)試技術(shù)對(duì)車體進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和評(píng)價(jià)已成為對(duì)車體性能優(yōu)化進(jìn)行評(píng)估的有效手段之一。試驗(yàn)分析表明：

(1)通過對(duì)高速列車A車車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)和分析得到了被試車體結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。

(2)基于Polymax算法產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)圖可以識(shí)別強(qiáng)阻尼和密集的模態(tài)。

(3)模態(tài)試驗(yàn)分析為車體動(dòng)態(tài)性能分析與設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)依據(jù)，同時(shí)，對(duì)有限元結(jié)果起到了一定的驗(yàn)證作用，進(jìn)而為車體的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供依據(jù)。

[1]俞云書.結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)分析[M].北京：宇航出版社，2000：15-67.