（机械设计及理论专业论文）客车模态计算与试验研究.pdf

大连理工人学硕士学位论文 摘要 当前我i 羽铁路已进入“大跨越发展阶段”，马上要进行第六次大提速。这种情况 下，列车的高速性能受到广泛重视，而车体是列车运行性能的表现主体，其高速性能 最为关键。以往只是简单了解车体动态性能，没有进行详细的研究。 针对这一问题，铁道部科学教育司于2 0 0 3 年提出“客车模态试验方法及评定规 范的研究( 2 0 0 3 j 0 4 1 ) ”课题，旨在通过对车体模态试验方法和数值模拟方法的研究， 提出符合我国国情的高速车体模态评定规范。本文为该课题的子课题，主要进行了车 体振动模态的数值模拟和振动台试验，为该项目的研究奠定了基础。本文工作分为数 值模拟和试验研究两部分。 1 ) 数值模拟：在一y z 2 5 g 型硬座空调客车a u t o c a d 二维图纸的基础上，利用 大型有限元分析软件i - d e a s 建立了其有限元模型，对车体建模难点进行了详细研究， 验证了整备车体配重的不同模拟方法及其对车体动态性能的影响，为后续数值模拟提 供了依据；进行了模态计算，提出了对我国铁道车辆模态试验有用的建议；计算了车 体振动模态灵敏度，为我国高速车体自主设计提供了依据。 2 ) 试验研究：参加了两次车体振动台试验和锤击试验，并在一2 5 t 型不锈钢车 体振动台试验的基础上，对试验原理、激励方法、传感器布点等进行了详细研究，并 与数值结果进行了比较。 本文对铁道车辆数值模拟和试验进行了详细研究，保证了该课题的完成，为后续 的车体模态研究提供了依据。 关键词：高速客车；车体模态；有限元分析；模态试验；i _ d e a s ；灵敏度计算。 罄车模态诗冀与试验酶究 a b s t r a e t n o w r a i l w a yw o r k sd e v e l o pq u i c k l yi nc h i n a ，t h es i x t hp a s s e n g e r t r a i ns p e e d l i f t i n gi s g o i n gt ob ec a r r i e do u t 。s op e r f o r m a n c eo fh i g h - s p e e dt r a i n sb e c o m e ss oi m p o r t a n t ，a n d p e r f o r m a n c eo f 打a l n si sr e p r e s e n t e db yt h ec a r r i a g eb o d i e s b u tw e k n o wl i t t l ea b o u tt h e s e i tn e e d st ob er e s e a r c h e dc a r e f u l l y t ot h i s q u e s t i o n ，t h e s c i e n t i f i c d e p a r t m e n t o fr a i l w a ym i n i s t r yr a i s e dt h ei t e m r e s e a r c ho fm o d a l t e s t i n g a n de v a l u a t i n gs t a n d a r d sa b o u t p a s s e n g e rc a r b o d i e s ( 2 0 0 3 j 0 4 1 ) i n2 0 0 3 ，i no r d e r t og i v i n gt h ee v a l u a t i n gs t a n d a r da c c o r d i n gw i t ht h es i t u a t i o n o fo u rc o u n t r y t h i sa r t i c l ei sas u bt a s ko ft h ew h o l e i t e m ，s t u d y i n gm o d a la n a l y s i so f c a r b o d i e su s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt e s t - b e de x p e r i m e n t a t i o n i ti su s e f u lf o rt h eg e n e r a l i t e m ，t h e r ea r et w o p a r t si nt h i sa r t i c l e ： 1 1n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：b a s e do nt h ea u t o c a dt w o - d i m e n s i o nd r a w i n g so fa y z 2 5 g p a s s e n g e rc a rb o d y , t h i st h e s i se s t a b l i s h e sat h r e e * d i m e n s i o nf i n i t ee l e m e n t m o d e l o ft h i s b o d yu s i n g t h e l a r g e c a d c a e c a ms o f t w a r e i - d e a s 。r e s e a r c h e st h e d i f f i c u l t i e si nm o d e lb u i l d i n g ；s t u d i e st l l ei n f l u e n c e sa n dd i f f e r e n ts i m u l a t i o nm e t h o d so f d i f f e r e n tp a r t s ；t h e ng i v e ss o m e s u g g e s t i o n sf o r o u rm o d a l t e s t i n gb y t h em o d a l c o m p u t i n g ； a n dl a s ts o l v e st h em o d a ls e n s i t i v i t i e so fb o d yp e r f o r m a n c e ，i ti su s e f u lf o rd e s i g no f 魏i 醢一s p e e dp a s s e n g e r c a r s + 2 ) r e s e a r c ho ft e s t i n g ：t a k e sp a r ti nt w om o d a lt e s t i n ga b o u tc a rb o d i e sb yt e s t - b e d m e 氇o d t h 强h a s 磁o nat e s t - b e dm o d a le x a m i n a t i o no fa2 5 ts t a i n l e s ss t e e lc a rb o d ) ； r e s e a r c h e dt h et e s t i n gp r i n c i p l e s ，e x c i t i n gm e t h o d s ，l a y o u to fs e n s o r se t c ，t h e nc o m p a r e d t h ef o s 落稳w i t hs i m u l 蔹i o no n t c o m e s t t l i sa r t i c l er e s e a r c h e st h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt e s t i n go fr a i l w a yc a rb o d i e si n d e t a i l ，a l lt h e s eh a v eag o o dh e l pf o rr e s e a r c ho f c a rb o d ym o d a l i t y ，e n s u r e st h ep r o c e s so f t h ew h o l ei t e m k e yw o r d s ：h i g h s p e e de a r ；b o d ym o d a l i t y ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；m o d a l t e s t i n g ；i - d e a s ；m o d a ls e n s i t i v i t y 1 i 大连理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景【1 】 本课题来源于铁道部科学技术司课题“客车模态试验方法及评定规范的研究 ( 2 0 0 3 j 0 4 1 ) ”。 自1 8 2 5 年世界上第一条铁路诞生以来，世界各国始终在为提高列车的行车速度 作不懈的努力。随着公路、航空的发展，铁路面i 临的竞争越来越激烈，利润不断被压 缩，一度被称作“夕阳产业”，但随着高速铁路的问世，铁路运输出现了生机，显示 出强大生命力，预示着“铁路第二个大时代”的来临。 随着高速铁路技术的不断发展，世界高速列车的商业运行速度不断提高，从6 0 年代时速2 1 0 公里，8 0 年代时速2 5 0 3 0 0 公里，9 0 年代末至今时速可达3 5 0 公里左 右。旅行时间的节约，旅行条件的改善，旅行费用的降低，再加上国际社会对人们赖 以生存的地球环保意识的增强，使得高速铁路在世界范围内呈现出蓬勃发展的强劲势 头，欧洲、美洲、亚洲诸地区，正在计划进一步加快高速铁路的建设。 而我国高速铁路起步较晚，客车速度在9 0 年代以前一直徘徊在8 0 公里左右，这 显然很难适应我国社会、经济发展。近年来，国家认识到这个问题，自1 9 9 7 年开始， 已对铁路进行了5 次大面积提速，快速列车最高运行速度达到每小时1 6 0 公里，非提 速区段快速列车最高速度达到每小时1 2 0 公里，并准备在2 0 0 5 年进行第六次提速， 快速列车有望达到每小时2 0 0 公里；同时，铁道部门正积极进行新的高速车辆的研制， 如2 0 0 2 年研制了2 7 0 k m h 高速客车，并进行了试验；各种相关配套设施也在积极研 制改进。所有这一切都标志着我国铁路正在大跨越式发展。 但是，随着速度的提高，因为线路不平顺而引起的车辆振动问题就凸现出来，这 就要研究车辆的模态特性。而以往我国的模态试验只是笼统的参照国外标准，没有针 对我国铁路车辆的情况对试验方法和评定规范进行详细的研究。要全面研究高速机车 车辆的动态特性，就需要全面研究车辆的模态试验。而在所有提速车中，客车性能最 受关注，因为它关系到乘客的舒适度、满意度，关系到铁路的经济效益、长远发展。 因此铁道部科技司提出此课题，详细研究客车的模态试验和评定规范。 1 2 铁道客车振动模态国内外研究现状 1 2 1 铁道车辆模态标准研究现状 通俗说，车辆模态就是车辆运行中的振动振型，包括刚体模态和弹性模态，通过 客车模态计算与试验研究 模态分析可以分析车辆悬挂是否合理，为悬挂提供优选参数，避免车辆在运行中发生 共振。 车辆的弹性振动对车轮的表面擦伤很敏感。为避免共振，国外大多要求整备状态 下车辆的垂向弹性振动频率不低于规定值。如： ( 1 ) 意大利的e t r 型客车车体、日本的高速车车体，都要求车体的弯曲振动频 率不低于l o h z ； ( 2 ) 德国i c e 车技术任务书中规定，中间车整备状态下车体的最低自振频率不 允许低于l o h z ，弯曲振动频率和转向架点头及浮沉振动的频率比值不得低于1 4 ； ( 3 ) 瑞典x 2 0 0 0 型摆式列车要求，车辆系统各部位间的固有频率差在3 h z 以上。 ( 4 ) 法国国营铁路要求转向架的振动频率不与车体弯曲振动频率相耦合，分隔 范围希望在1 o h z1 5 0 h z 以上。 关于车辆整备状态下垂向弹性振动频率的规定，各国的要求是不同的，规定整备 状态车体弯曲振动频率最小值的目的是为了避免各部件间产生共振，并确保乘坐舒适 性和结构预期的疲劳寿命，没有必要硬性规定车体弯曲振动频率必须在某一数值之 上。如法国v u v t u 车体弯曲振动频率为8 o h z 8 5 1 t z ，但与构架的振动频率分隔范 围在1 5 0 h z 之上，所以判定该车体可以满足运用要求。 根据国外经验，应对频率范围在5 h z 4 0 h z 车体的动态特性进行审查和鉴定，车 体的固有频率应不同于由转向架传递的频率，我们也应该进行相应的研究。 随着铁道车辆行业的技术进步，国内在车体结构设计和材料选用方面呈现出了多 样性，耐候钢、不锈钢、铝合金等材料已被用到不同车型，而材料特性则有较大差别。 无论选用什么样的设计思路和材料，车辆的弹性振动模态应该满足一定的规范要求。 计算及试验研究是检验其弹性振动模态的重要手段。 车体振动试验的目的是分析车体在定的频率范围内以什么样的振型和固有频 率进行振动，是否存在固有频率低于规定值的弹性振动。在对车辆的模态进行评定时， 我国目前基本上参照国外的评定方式，对于垂向弯曲振动频率要求不小于l o h z ，该 标准值还有待于进一步研究。 1 2 2 有限元法在铁道车辆模态分析中的应用【2 】【6 】 有限元法是根据变分原理求解数理方程的一种数值计算方法，是一种解决工程实 际问题有力的数值计算工具。它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合起来 的数值分析技术。有限元法将求解区域看成由许多小的在节点处互相连接的单元构 成，其模型给出基本方程的分片近似解，从而把物体划分为大量的足够小的单元，利 用插值多项式将欲求的参数在单元内的变化用单元节点上的该参数表示出来。用这种 离散的模型来近似表示在物体内连续变化的待求参数，再根据变分原理或最小位能原 2 大连理工大学硕士学位论文 理求解各节点的欲求参数值，可得出各单元的应力等。由于单元可以被分割成各种形 状和大小不同的尺寸，所以它能很好的适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂 的边界条件。所有这些使得有限元方法成为结构分析中必不可少的工具及工程计算中 的有效方法。 虽然有限元法首次由c l o u g h 于1 9 6 0 年提出，但有限元分析的概念却可以追溯到 2 0 世纪4 0 年代。1 9 4 3 年，c o u r a n t 将定义在三角形区域上的分片连续函数，利用最 小势能原理研究了s t v e n a t 的扭转问题。1 9 5 6 年t u r n e r ，c l o u g h ，m a r t i n 和t o p p 等人第一次给出了用三角形单元求得的平面力问题的真正解，他们利用弹性理论的方 程求出了三角单元的特性，并第一次介绍了今天人们熟知的确定单元特性的直接刚度 法。他们的研究工作连同当时出现的数字计算机一起开创了求解复杂平面弹性问题的 新局面。 1 9 6 0 年c l o u g h 进一步处理了平面弹性问题后，人们开始认识到有限元法在工程 分析中的方便性，此后有限元法在工程界获得了广泛的应用。随着计算机技术和计算 技术的发展，有限元法也于7 0 年代迅速发展起来，此间发表了大量的论文，学术交 流频繁，对有限元法进行了全面而深刻的研究，可以说进入了有限元法发展的鼎盛时 期。涉及的内容有：有限元法在数学和力学领域所依据的理论；单元的划分原则，形 状函数的选取及协调性；有限元法所涉及的各种数值计算方法及其误差、收敛性和稳 定性；计算机程序设计技术；向其他各个领域的推广等等。 到目前为止，有限元法已经在固体力学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生 物力学等各个领域得到广泛应用。如：能求解由杆、梁、板、壳、块体等各类单元构 成的弹性( 线性和非线性) 、弹塑性或塑性问题( 静力和动力问题) ；能求解各类场分 布问题( 流体场、温度场、电磁场等的稳态和瞬态问题) ：还能求解水流管路、电路、 润滑、噪声以及固体、流体、温度相互作用等问题。 1 2 3 模态试验国内外研究现状f 4 】【5 】 模态试验作为结构动力学中的一种逆问题在工程实践中应用是从6 0 年代中、后 期开始，至今已有近四十年的历史了。这一技术首先在航空、宇航及汽车工业中开始 发展。由于电子技术、信号处理技术与设备的发展，到8 0 年代末这项技术已成为工 程中解决结构动态性能分析、振动与噪声控制、故障诊断等问题的重要工具。目前这 一技术已渐趋成熟。 但在工程应用方面还有不少工作可做。首先是如何提高模态分析的精度，扩大应 用范围。增加模态分析的信息量是提高分析精度的关键，单靠增加传感器的测点数目 很难实现，目前提出的一种激光扫描方法是大大增加测点数的有效办法。模态分析当 前的一个重要发展趋势是由线性向非线性问题方向发展。非线性模态的概念早在 3 客车模态计算与试验研究 1 9 6 0 年就由r o s e n b e r g 提出，虽有不少学者对非线性模态理论进行了研究，但由于 非线性问题本身的复杂性及当时工程实践中的非线性问题并末引起熏视，非线性模态 分析的发展受到限制。近年来在工程中的非线性问题日益突出，因此非线性模态分析 亦日益受到人们的重视。最近已逐步形成了所谓非线性模态动力学。关于非线性模态 的正交性、解耦性、稳定性、模态的分叉、渗透等问题是当前研究的重点。 由于我国铁道客车提速较晚，9 0 年代初才开始进行车辆模态试验的研究，目前 客车大范围提速，铁道部门对模态试验空前重视，出厂的新型车都要进行模态试验， 这也成了工程师们的研究热点。目前我国铁道机车车辆模态试验设备比较先进，因为 近年来我国与世界经济交流频繁，新建铁道车辆模态试验设备大都接近世界先进水 平，如四方车辆研究所1 9 9 7 年引进的h p l m s 动态数据采集系统具有国际九十年代末 先进水平，只是我们的铁道车辆模态试验研究开始时间较晚，标准化、评定规范等方 面还需要深入研究。 1 3 本文主要工作 在详细了解国内外铁道车辆车体模态分析基础知识、软件仿真、试验研究的基础 上，对高速客车车体进行了详细的数值模拟和试验研究，并探讨了车体振动模态灵敏 度的模拟计算。本文的主要工作包括两部分： 一数值计算 ( 1 ) 在某厂生产的y z 2 5 g 型空调客车a u t o c a d 维图纸的基础上，利用i - d e a s 软件建立了该车体的详细三维几何模型和有限元模型； ( 2 ) 对该模型进行了详细的模态计算，得到了该车体的固有频率和模态振型， 并详细讨论了有限元分析中整备车辆的配重问题，为以后整备车体的有限元仿真提供 了依据； ( 3 ) 讨论了铁道客车车体的振动模态灵敏度计算的理论基础，并探讨比较了在 i d e a s 中计算模态灵敏度的两种不同方法，给出了车体关键部件对车体各阶振动模 态的灵敏度。 二试验研究 ( 1 ) 以2 0 0 4 年7 月在中国北车集团四方车辆研究所( 以下简称四方所) 参加的一 2 5 t 型不锈钢高速客车车体的所内定置振动台模态试验为依据，对模态试验的理论知 识、激励、响应、传感器、参数识别等作了研究； ( 2 ) 根据四方所以往利用锤击法和振动台法进行的多次车体模态试验，讨论了 车体模态试验中各种激励方法的优缺点及对试验结果的影响； ( 3 ) 对试验结果进行了详细的分析讨论，并与数值计算结果进行了比较。 大连理工大学硕士学位论文 1 4 各章节内容安排 本文具体章节结构如下： 第一章：绪论。介绍课题背景和铁道车辆模态国内外研究现状； 第二章：车体有限元模型的建立。主要介绍实际车体和建模过程； 第三章：车体模态计算。研究模态计算理论基础，给出模态计算各种方法比较和 模态计算结果； 第四章：灵敏度计算。讨论车体振动模态的灵敏度计算理论基础和i d e a s 中灵 敏度的计算； 第五章：模态试验基础。概述模态试验的理论基础及工作模态软件基础： 第六章：不锈钢高速客车车体模态试验。研究该试验的理论基础、测点布置、软 硬件设备、激励的各种工况等，并对试验结果进行了分析； 第七章：模态试验分析。讨论各种激励方法的优缺点以及对试验结果的影响，并 对试验和数值计算结果进行比较； 第八章：总结与展望。对论文研究工作进行回顾总结，并对进一步的工作进行展 箪。 客车模态计算与试验研究 第二章车体有限元模型的建立 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，即f e m ) 在车体设计和验证中用的越来越广 泛，本文采用该方法对2 5 g 型空调硬座车体进行了模态分析。 2 1 有限元分析应用状况 有限元方法面世以来，就成为各种结构试验的重要辅助手段，对于车体模态试验 更是如此，国内外都非常重视车体的有限元模拟，国外铁道部门做的比较好，很多公 司有限元模拟已是设计工作的重要部分，有利于对车体的优化设计、快速设计。 我国铁道车辆设计中有限元的应用起步较晚，发展比较缓慢。而且针对铁道车辆 的仿真主要考虑的是钢结构，对仿真非常复杂的整备车体基本上不考虑，只是根据经 验、以往试验结果推算出整备车体的模态特性。近两年，铁道部针对“虚拟设计和仿 真”立项，大力发展铁道车辆的有限元仿真，引进大型c a d c a e c a m 软件i d e a s ， 组织铁道工程师到国外进行培训。通过有限元方法详细研究铁道车辆车体模态也被重 视起来。 2 2c a d c a e 软件的选择 2 2 1c a d c a e 软件 c a d c a e 软件发展迅速，目前c a d 软件应用比较广泛的有p r o e n g i n e e r ，u g ， s o l i d w o r k s ，a u t o c a d 等。c a e 软件主要有s a p 5 ，s a p 2 0 0 0 ，a d i n a ，a n s y s ，m s c n a s t r a n c a t i a ，a b a q u s ，m a r c ，i d e a s 等。 其中，铁路、汽车等行业结构分析中使用最为广泛的软件为a u t o c a d ，u g ， n a s t r a n ，a n s y s ，i d e a s 几种软件，我国铁道部制定的铁路行业有限元仿真软件日 进计划重点引进了i d e a s ，本文就是采用这种软件进行建模和求解。 2 2 2i d e a s 介绍0 1 e d sp l ms o l u t i o n s 的i - d e a s 软件是一个集成化的产品开发解决方案，它具有 独特的基于数字化主模型的c a d c a m c a e 功能，使c a d c a m c a e 成为一个整体，而不 再是彼此分离的功能模块。基于数字化主模型的特性使得模型的变化与c a d c a m c a e 的结果保持高度的一致性。从而使在产品开发的整个过程中随时对产品进行评估和加 工设计成为可能。加上以数字化主模型为基础的数据管理功能，使得在产品开发的整 个阶段，整个开发团队都能协同地进行并行的工作。i d e a s 软件是当今世界应用最 大连理工大学硕士学位论文 广的产品开发解决方案之一，它强大的功能可大大增强企业的竞争力。 i d e a s 软件界面非常友好，能够很轻松的掌握其基本操作，其主要模块有 d e s i g n 产品设计模块； s i m u l a t i o n 仿真模块； t e s t 测试模块； m a n u f a c t u r i n g 制造模块； m a n a g e m e n t 管理模块； o p e n d a t a p c b 数据传输模块。 其中d e s i g n 模块包括m a s t e rm o d e l e r ，m a s t e ra s s e m b l y ，m a s t e rd r a f t i n g ， m e c h a n i s m d e s i g n 等子模块；s i m u l a t i o n 包括b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，m e s h i n g ，m o d e l s o l u t i o n ，r e s p o n s ea n a l y s i s ，d u r a b i l i t y ，o p t i m i z a t i o n ，p o s tp r o c e s s i n g 等 子模块。本文主要应用d e s i g n 模块里的m a s t e rm o d e l e r ，和s i m u l a t i o n 模块。 一核心设计模块( c o r em a s t e rm o d e l e r ) m a s t e rm o d e l e r 是一个高性能的三维设计系统，并且它是i d e a s 其它应用模块 的基础和核心。可以利用由它产生的几何模型，方便地进行有限元分析、二维绘图和 加工等处理。基于特征的变量化实体造型系统可以轻而易举地创建几何模型，而且非 常容易进行修改。依据几何模型能自动删除隐藏线、直接计算零件的物理属性，以及 对零件进行精确的几何定义。 无论是单个模块还是成组应用都是以m a s t e rm o d e l e r 为核心来运行。这种先进 的核心式体系结构决定了它必然是以主模型( m a s t e rm o d e l e r ) 为单一数据库，并且 所有模块之间的数据全部并行关联。 ( 1 ) 采用高度集成的图形用户界面，具有命令条目少，层次浅的特点。并在 w i n d o w sn t 2 0 0 0 平台上采用w i n d o w s 风格界面。 ( 2 ) 完全一体化的变量化设计环境。支持统一环境的线框、曲面和实体造型。 ( 3 ) 先进的超变量几何( v g x - - v a r i a t i o n a lg e o m e t r ye x t e n d e d ) 技术。可进 行全几何约束的参数化设计，以及部分几何与工程约束的自由创新设计。v g x 技术贯 穿于二维草图设计、三维零件及装配设计、有限元分析、模具模架库设计的全过程。 提供变量化草绘、建立变量方程、设计变量特征。可以动态拖动截面的方式来拉伸和 旋转生成实体，动态显示拉伸长度( 旋转角度) ，自动捕捉三维约束。直接修改与基 于设计历程修改相结合。可随时修改或删除原约束、建立新约束；与设计顺序无关的 设计尺寸及约束定义可以直接施加于二维及三维几何。支持欠约束条件下的创新设 计。基于特征的设计。提供特征库( 预定义特征和用户自定义特征) 、特征操作和特 征管理( 在同一个表格下进行历程树浏览、特征重排序、特征插入、特征删除、特征 鬻车模态计算与试验研究 抑制等) 能力。 二仿真模型构遗 集成环境中的有限元模型和结果可视化工凝，直接利用i - d e a s 零件主模激或装 配，或其它c a d 系统输入的模型，快速媳建立数字化产晶仿真横型。仿囊模型和设计 模壅具裔相关憔。主要技术特点如下： ( 1 ) 几何处理相关性 利拜l 特征定义、几何特征榔镧、中曲丽提取釉装配等工具壹按处理捅象几何模型， 简化前处理的工作量。栽荷、约束、接触等边界条件可以直接定义于几何。载葡单位 镧可选，并支持螽动转换。 ( 2 ) 网格划分 支持塞由溺嵇帮浚麓翳强，并且二嚣可结合镬建。最赣豹d e l a u n a y 算法，胃馥 更快地得到更高质量的单元。网格智能根据几何结构自遁应剖分，局部网格密度也可 鑫孬定义。区域弼格矧分( s e c t i o nm e s h ) 懿方法瘸予建瑾复杂麴尼篱 s h = 0 wf r e ee d g e s ，这 个命令检查出所选构件的自由边，所有的边界( 没有互相连接的面) 都以粗白线条( 背 景为黑色时) 显示出来，然后我们的任务就是在这些白边中，忽略建模实际需要的自 由边，如边界等，找到没有连接到一起的边，这样基本上可以检查出大部分没有正确 连接的地方。 2 3 4 i d e a s 中建立几何模型经验总结 ( 1 ) 建模的时候要多考虑车体的结构特性，不能只顾几何形状而不管其力学特 性： ( 2 ) 进行每一步重要命令之前要考虑清楚，如果没有把握，可以在一个新文件 里试一下将要用的命令，否则如果做错了，恢复起来比较麻烦； ( 3 ) 因为i d e a s 中撤销功能比较差，特别是结构比较庞大的时候。但好的一点 是提供了调用上一次保存文件的命令，这就要求及时保存，如果哪一步有错误，就用 c t r l + z 快捷键直接恢复： ( 4 ) 多利用已存在的边建立新的面。建立一个新面，要多利用已经存在的边界， 否则会造成面与面之间产生空隙。如利用已存在的边( e d g e s ) 和画出的三维线( l i n e s ) 建立面( s u r f a c e ) 时，i d e a s 中直接用命令m a s t e rm o d e l e r s u r f a c eb yb o u n d a r y 会进行不下去，此时可以在点击以上命令后，再点右键，出现菜单，选取a c r o s s m u l t i p l ep a r t s 项，既可完成边线混合组成面； ( 5 ) 对于一些已经存在的没有连接的面，可以利用m a s t e rm o d e l e r s t i t c h s u r f a c e s 命令焊接到一起，不过这样只能连接一部分，有些间隙比较大的，可能连 接不起来。这时就只能删除中间面，然后用( 1 ) 中提到的命令再生成面： ( 6 ) 对于后面要做成梁的地方，可以用m a s t e rm o d e l e r p r o j e c t s 命令直 客车模态计算与试验研究 接投影到面上。i d e a s 中，用这个命令在面上生成边，这时，应注意由于角度问题， 可能投影不到面的边界，从而造成连接空隙。可以把要投影的线画的长一点，就可以 投到整个丽上了。这一点，可以充分利用三维画线命令中的右键菜单。灵活选择画线 方式。 ( 7 ) 建模的时候不允许有面重叠，建完模型后可以用m a s t e rm o d e l e r 一一 s h a d e dh a r d w a r e 命令显示图形，如果哪些地方有重叠面，阴影显示就会有波动， 就可以发现从而去掉重叠面。 2 4 车体钢结构模型单元选取和网格划分 基于几何模型建模较需要时间和精力的第二步就是车体模型的单元选取和网格 划分。这一步要根据网格划分的有关原则，完成对车体各部件的划分。要考虑对于不 同的部件用什么单元比较合适，对一些梁要设定其横截面参数，而有一些不规则的梁 要在软件中画出来再定义。进一步对几何模型和划分后的车体进行检查等等。 2 4 1 车体钢结构部件尺寸和材料介绍 车体钢结构采用不同钢合金，本文则统一取为标准钢：弹性模量：e = 2 0 6 8 1 0 “ p a ；泊松比：o 2 9 ；密度：7 8 2 1 0 3k g m 3 。 车体主要由冷轧钢板和各种梁焊接组合而成，主要部件钢板厚度如表2 2 ；主要 梁的结构形式如表2 3 ，由于篇幅问题，这里只是列出一些主要部件的尺寸。其中： 梁的表示形式如下： ( 1 ) u 字形槽钢，记为u a b c d 。其中a ，b ，c 表示三边长度，d 表示厚度； ( 2 ) l 形型钢，记为l a b c 。a ，b 为两边长度，c 表示厚度； ( 3 ) 箱形梁，记为b a b c 。a ，b 为两边长度，c 表示厚度： ( 4 ) z 形梁，记为z a b c d 。a ，b ，c 表示三边长度，d 表示厚度； ( 5 ) t 形梁，记为t a b c 。a ，b 为两边长度，c 表示厚度。 表2 2 主要板状部件厚度 t a b 2 2t h i c k n e s so fm a i np l a t e s 部件厚度( i i l i n )部件厚度( 咖)部件厚度( m m ) 侧墙 2 5平地板2端梁面6 顶板 2 摇枕侧板 8门框6 端墙 2 牵引梁侧板 7 5 波纹板挡板 5 1 2 大连理工大学硬士学位论文 l 波纹地板 1 5牵引梁撑板8 牵引梁盖板 8 l 翁下粱 孽 摇撬蠹立板 8 内门墙 2 表2 3 主簧粱瓣绩秘形式 t a b 2 3s h a p e so fm a i nb e a m s 郏转形式尺寸罄辞形式尺寸帮 串影式尺寸 侧下u 1 8 0 7 0 7 0 9门立柱t 4 5 9 6 9 6 4车顶纵梁l 6 0 4 0 2 5 边粱 侧墙l 4 0 3 2 2 5侧墙立z 3 0 7 0 3 7 2 5车顶弯梁z 2 5 6 5 3 8 2 5 横粱拄 甯粱z 3 0 7 0 3 7 2 5侧墙上l 7 5 5 0 5端顶纵梁l 6 3 4 0 4 边梁 端粱u 1 8 0 4 0 4 0 5车顶边l 5 0 3 2 4端顶平横l 6 3 4 0 4 粱粱 脚蹬l 1 0 0 6 3 8枕外横l 7 5 5 0 5端顶弯横z 2 5 6 5 3 8 2 5 粱梁粱 魄板u 1 8 0 哇o 4 0 5分线耩u 1 8 0 7 1 7 1 2平遮板梁l 7 0 5 0 5 横粱 2 4 。2 鏊元奔绥 l 车体钢结构主要由薄钢板和各种各样的粱组成，因此主要采爝薄壳( t h i ns h e l l ) 举元和粱单元( b e a m ) 来进行划分。 ( 1 ) 薄壳单元( t h i ns h e l l ) i - d e a s 中提供了霞稀薄壳革元： 三节点三角形单元( l i n e a rt r i a n g l es h e l l ) ； 六节点鞠透三角形等参元( p a r a b o l i cq u a d r i l a t e r a ls h e l l ) ； 四节点暇边形单元( l i n e a rq u a d r i l a t e r a ls h e l l ) ： a 节熹蠡蠡边西遮形等参元( p a r a b o l i cq u a d r i l a t e r a ls h e l l ) 。 对于车体板壳本文主要用的是第四种，这种单元基本思想是先在规则的矩形单元 上筏逡鬣移攉蘧嚣蘩，然嚣逶过塑标交换浃耪为耱理平鬻上兹一令复杂麴嚣单元。交 为其为= 次单元，具有相当高的计算精度，通常用比较稀疏的网格即可得到具有工程 竣诗瑟辫精疫豹络粟，怒求瓣懿链力学平嚣阉题窝窒闲润题豢翅豹一类肇元。 搭车模态计算与试验磺究 另夕 在车体侧项部等部位存在摄多弧形，趱涮鲍挚元缀骞爨不翅分，程这瓣单 元最便于贴合曲线边界并便于构造具有较高精度的完备协调单元，适成性比较好。 单元结构如阁2 。2 所示。由8 个节点组成， 每个节点有6 个自由度，分别怒x ，y ，z 三个 方向上的平移和绕x ，y ，z 轴的转动自由度， 筵鹳个。 当然，由于其为二次单元，在应力变化比 较裁惑的逸方，其效果发而不如密集静三角形 单元效果好，所以在一燃形状变化或应力变化 魄较大戆途方，适当静采用了第二静六节点趋 边三角形单元。 ( 2 ) 粱擎元( b e a m ) i d e a s 中梁单元有 二节点塞梁( l i n e a rb e a m ) ； 二节点曲梁( c u r v e db e a m ) ； 圈2 2 八节点曲边四边辫峰棼竞 f i 22 f d 曩l i c 瓤t 扛i l 娃 d 瓢娃l 三节点魏粱( p a r a b o l i cb e a m ) 。 鉴于与薄壳同样的原因，本文采用薷三种梁。每个单元具脊三个节点，每个节点 6 令皂鼗l 度，共1 8 个受瞧度。 2 4 3 网格尺寸的确定 对予网格尺寸，要粮据所分析结构和选用的单元】甑及建模目的综合考虑。因为车 体结构较大，且分析的憝其整体模态，如果采用较小的辈元尺寸，反面会因为突出局 都模态商掩盖了整俸模态，极端情况下，如果局部模态与整体模态频率相近，有可能 识别不出整体模态，如阁2 3 ，局部模态为主的憋体模态，前者是软件中对振型正常 静放大窀1 0 ，器者放大攀秀1 0 0 。宙瀚可觅，前者禳本看不到整体模悉，后者仅能 褥到模糊的整体模态，但同时脚蹬的局部模态已经很大了。而且从色彩上根本着不出 熬俸模淼来。辑浚在谖潮结梅鹣整钵模态对，溺椿尺寸不是越夺越好，疲该在满足精 度的情况下，越大越好。 瑟虽，与其德零元懿容限元方法程l 较，薄缀弯魏翊题畜冀特殊鹣笈杂毪，这是 由于板的挠度函数所需满足的微分方程是四阶的藿调和方程，薄板的弯曲应变能依赖 予挠度鹚数的二除骧导数，黠薄板弯趋翘透，数疆诗算j 霪程孛会入误差瓣影睫缝 堇跑 二维或三维弹性力学问题严重的多，因而对薄板弯曲问题，过细的网格划分往往反而 楚不会邋戆。 1 4 人连理工大学硕士学位论文 1 ) 放大率1 0 2 ) 放大率1 0 0 图2 3 掩盖整体模态的局部模态 f i g 2 3d o m i n a t i n gl o c a ld i s t o r t i o n 所以本文在车体侧墙、顶板等较大区域采用5 0 0 x5 0 0 m m 的网格尺寸。但是还应 该综合考虑单元形状和结构形式。如波纹地板与平地板以及波纹板挡板接头处，形状 复杂，仍采用较大的网格尺寸会产生很多形状较差的单元，所以缩小平地板处网格尺 寸，而有效避免了较差单元的产生；也可以采用在平地板几何模型上人为地分成小块， 效果和缩小网格尺寸差不多，图2 4 为分块前后对比。 。爹。渗 1 ) 分块前2 ) 分块后 图2 4 接头处分块前后网格对比 f i g 2 4g r i dc o m p a r i s o no fi n t e r s e c tp l a t e s 2 4 4 初步划分完成后的检查完善【1 7 1 在初步划分完后，此时模型就比较复杂，要想找到一些细微的没有划分的地方是 很难的。这时就要用到检查工具。在i - d e a s 中的m e s h i n g 子模块中有一系列检查命 令，现介绍如下： ( 1 ) q u a l i t yc h e c k s ( 质量检查) ：这里包含了很多小项，可以通过滑动条设定 这些小项的极限值： s k e w ( 歪斜检查) ：对四面体单元看其与9 0 度差多少，对三角形单元看其与 6 0 度差多少； w a r p ( 翘曲检查) ：检查面体的弯曲程度； 客车模态计算与试验研究 t a p e r ( 锥度检查) ：看一个面与其周围邻面尺寸平均值的比值大小； a s p e c tr a t i o ( 形状检查) ：对单元最长和最短边比值大小的检查； d i s t o r t i o n ( 扭曲检查) ：衡量单元对于理想形状的扭曲程度，值的变化从0 ( 完全扭曲) ) l ( 不扭曲) ； s t r e t c h ( 拉伸检查) ：衡量单元对于理想形状的拉伸程度，值的变化同扭曲； q u a d t r ii n ca n g l e s ：检查四边形或三角形内角。 ( 2 ) c o i n c i d e n tn o d e s ：检查距离太近的节点，可以设定极限值； ( 3 ) c o i n c i d e n te l e m e n t s ：检查距离太近的单元； ( 4 ) f r e ee l e m e n te d g e s ：自由边检查，这个命令用的比较多，检查到哪些边、 面还没有定义； ( 5 ) i n t e r f e r e n c ec h e c k ：干涉检查，检查重叠的面等。 所有这些检查都可以显示出不好的单元或节点，然后把它们存到一个组( g r o u p ) 中，从而可以单独显示这些单元，为划分或完善提供了极大的方便。 2 4 5 整车钢结构模型的建立 通过以上的检查后，二分之一车体模型已经完成，此时就可以通过对称( r e f l e c t ) 命令，把二分之一车体对称成整车有限元模型，如图2 5 所示。 实际车体钢结构质量为1 3 2 吨，模型钢结构为1 2 8 1 吨，这应该是模型中对一 些对模态影响较小的细节所作的简化所致。 划分完后二分之一车体节点数2 7 5 7 4 个，单元数1 0 9 1 8 个。 1 ) 二分之一车体模型2 ) 整车模型 图2 5 整车几何模型的获得 f i g 2 5r e f l e c t i n gf o rt h ew h o l eb o d ym o d e l 大连理工大学硕士学位论文 2 5 整备车体的模拟 车体钢结构完成后，就要进行车体附属配件的模拟。 由于车体附属配件种类繁多，形状、大小、重量、材料、联结方式各异。因此， 长期以来，工程师们分析车体模态时，主要以钢结构为主体，加上主要配件如水箱、 空调、座椅等的重量。对于这些重量的模拟一般采取以下两种方法： ( 1 ) 以配件重量为基准增加板厚，使钢板增加的重量等于配件熏薰； ( 2 ) 以质量块的方式加到相应节点上。 这两种方法都是较粗略的模拟。因为对于水箱、空调等钢铁件，都是用小梁吊在 车体相应位置的梁上，设计中不考虑由其增：i i i i i 度，即使设计的是刚性连接，也会因 人工装配产生差异，可能过盈或间隙配合。当过盈时，与车体刚性连接，此时应该考 虑其与车体的惯性和刚性耦合，但其刚度也没办法定量得到；间隙配合时，只要考虑 其惯性耦合即可，此时第二种方法基本可以模拟，但这些都具有不确定性，同型号车 各个体之间也存在差异。这只是这些比较好模拟的钢铁件。在车体上，还存在着大量 更没办法准确模拟的部件，如：车体内墙板、内墙钢梁、木梁、空调风道、制动管道、 行李架、座椅、车内间壁、厕所、盥洗室、防寒材、车门窗等等。这些部件都或多或 少的贡献刚度和重量，但根本无法逐个详细模拟。而目前我国铁路提速频繁，又必须 详细研究整备车动态性能。鉴于以上原因，本文讨论了对配件质量和刚度的模拟。 2 5 1 附属配件质量的模拟 主要有以