（车辆工程专业论文）铝合金地铁车体静动态特性及车内声学模态研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电 子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被 查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数 据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中 国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授 权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密团。 学位论文作者签名：杨龟 扣1 1 年月衄 指导教师签名：庶专吉 z o ! 1 年月j l 日 铝合金地铁车体静动态特性及车内声学模态研究 r e s e a r c ho i ls t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n di n t e r i o r a c o u s t i c a lm o d a lf o rt h ea l u m i n i u ma l l o ym e t r ov e h i c l e 姓 2 0 1 1 年5 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 城市轨道车辆按车体宽度分，有a 、b 、c 三种形式，其中a 型车宽度为3 m ，b 型车宽度为2 8 m ，c 型车宽度为2 6 m 左右；按车体材料分，有耐候钢车、不锈钢车 和铝合金车。本文以铝合金a 型地铁不带导电弓的c 型车厢为研究对象。 本文主要研究内容及结论如下： ( 1 ) 基于p r o e 平台建立了铝合金a 型地铁车体各模块及整车的c a d 装配模 型，为建立车体的有限元模型打下基础。 ( 2 ) 将在p r o e 中建立的c a d 模型导入h y p e m e s h 软件中，对其结构进行简化 和重构，提取中面，划分网格并处理零件间的接触面，建立车体各模块和整车的有限 元模型。 ( 3 ) 基于地铁车辆设计标准，选择了垂直过载载荷和车端压缩载荷两种典型工况 对车体进行了静力学有限元计算。分析结果表明：车体在这两种工况下应力应变均在 许可范围之内，具有良好的静力学特性。 ( 4 ) 基于模态分析基本理论，对车体铝合金承载结构和整各状态进行了模态分析， 其中整备状态下按空调机组和门窗的模拟方式不同又分了两种情况。分析结果表明： 这三种情况下一阶垂向弯曲振动频率均大于1 0 h z ，满足动态设计标准。与承载结构 结果相比，整备状态下车体各阶振动频率有所下降；用质量块代替m a s s 2 1 单元模拟 空调机组和门窗后，车体出现了很多局部模态，各阶模态也发生了较大变化，这是由 门窗及空调机组的结构特性决定的。 ( 5 ) 基于谐响应理论，通过在转向架与车体连接处施加单位简谐力，分析了不同 频率下整车振动响应和整个频率范围内车体指定点处的响应。分析结果表明：在大多 数频率时、端墙、地板、空调及门窗振动较大，改进结构时应着重考虑这些部位的连 接及刚度情况；频率在2 0 - 4 0 h z 与1 2 0 h z 一1 4 0 h z 之间整车振动响应都比较大，表明在 这两段频率范围内乘客的舒适性较差。 ( 6 ) 根据车体几何形状建立了车内空腔声学有限元模型，对车内空腔的声学模态 进行了研究，获得了声腔模态频率和振型。分析结果表明：地铁车体对称的结构特点 决定车内声场在横向、纵向和垂向同样具有对称性，使车内声场的各阶模态形状基本 铝合金地铁车体静动态特性及车内声学模态研究 上呈前后、左右和上下对称分布，说明车内声场共鸣频率和模态形状主要由其几何形 状决定。分析结果为避免车室壁板与车室空腔声学共振提供了非常有价值的资料，可 用于指导车身系统初始的声学设计。 关键词：铝合金a 型地铁，有限元分析，静力学特性，模态分析，谐响应理论， 声学模态 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eu r b a nr a i lv e h i c l e sc a nb ec l a s s i f i e di n t oa ，ba n dct h r e ef o r m sa c e o r d i n gt ot h ew i d t h t h e i rw i d t ha r er e s p e c t i v e l y3 m ，2 8 ma n d2 6 m t h e r e a r er e s i s t a n c ed e c r e a s e s 、s t a i n l e s ss t e e la n da l u m i n u mi fc l a s s i f i e db yt h e m a t e r i a l i nt h ep a p e r , t h ec a r r i a g eco ft h ea l u m i n i u ma l l o ya - t y p em e t r o v e h i c l ew i t h o u tc o n d u c t i v eb o ww a sd e a l e dw i t h t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec a d m o d e lo fe a c hp a r ta n dw h o l eb o d yo ft h ea l u m i n i u ma l l o y a - t y p em e t r ov e h i c l ew e r ee s t a b l i s h e db a s e do n t h ep r o ep l a t f o r m ( 2 ) t h ec a d m o d e lb u i l ti np r o ew a st r a n s f e r r e dt ot h em o d e li n h y p e r m e s h ，a n dt h es t r u c t u r ew a ss i m p l i f i e da n dr e b u i l t t h ef i n i t ee l e m e n t m o d e lo fb o d y w o r kw a se s t a b l i s h e db ye x t r a c t i n gt h em i d d l es u r f a c e ，m e s h i n g a n dt r e a t i n gt h ec o n t a c ts u r f a c eb e t w e e nd i f f e r e n tp a r t s ( 3 ) b a s e do nm e t r ov e h i c l ed e s i g ns t a n d a r d ，t w ot y p i c a lc o n d i t i o n st h a t v e r t i c a lo v e r l o a dl o a da n dc a re n dc o m p r e s s i o nl o a dw e r ec h o s e nt oa n a l y s i s t h eb o d y w o r ki nt h es t a t i cf m i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h es t r e s sa n ds t r a i no fb o d y w o r ku n d e rt h et w oc o n d i t i o n sw e r ew i t h i nt h e s c o p eo ft h ep e r m i ta n dt h eb o d y w o r k w e r ei ng o o ds t a t i cc o n d i t i o n s ( 4 ) b a s e do nt h em o d a la n a l y s i st h e o r y , t h em o d a lo fb e a r i n gs t r u c t u r e s t a t ea n ds e r v i c i n gs t a t eo ft h eb o d y w o r kw e r ea n a l y z e d i ns e r v i c i n gs t a t e ， t w ok i n d so fc a s e sw e r ea l s oa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ts i m u l a t i o no f t h ea i rc o n d i t i o n i n gu n i t sa n dw i n d o w s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef i r s t - r a n k v e r t i c a lb e n dv i b r a t i o nf r e q u e n c yo ft h eb o d y w o r ku n d e rt h et h r e ec o n d i t i o n s w e r ea l lb i g g e rt h a n1 0 h z ，w h i c hc o n f o r m e dt ot h ed y n a m i cd e s i g ns t a n d a r d e a c hr a n k f r e q u e n c y o ft h e b o d y w o r k u n d e r s e r v i c i n g s t a t ed e c l i n e d c o m p a r e dw i t ht h er e s u l ti nb e a r i n gs t r u c t u r es t a t e u n d e rs e r v i c i n gs t a t e ， t h e r ea p p e a r e dm a n yl o c a lm o d a l sa n de a c hr a n kf r e q u e n c yc h a n g e dg r e a t l y i l l 铝合金地铁车体静动态特性及车内声学模态研究 a f t e rs i m u l a t i n ga i rc o n d i t i o n i n gu n i t sa n dd o o rw i n d o w sw i t hq u a l i t yb l o c k i n s t e a do fm a s s 2 1u n i t ，w h i c hw a sd e c i d e db ys t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so f d o o r s ，w i n d o w sa n dc o n d i t i o n i n gu n i t s ( 5 ) b a s e do nt h eh a r m o n i ct h e o r y , t h ed i s t r i b u t i o n so ft h ew h o l eb o d ya t d i f f e r e n tf r e q u e n c i e sa n dt h er e s p o n s eo ft h es p e c i f i e dp o i n t so ft h eb o d ya t t h ew h o l ef r e q u e n c yr a n g ew e r ea n a l y z e db ye x e r t i n gh a r m o n i cu n i tf o r c eo n t h ec o n n e c t i o np l a c eo fb o g i ea n db o d y w o r k t h er e s u l t ss h o w e dt h a tf l o o r ， e n dw a l l ，d o o ra n dw i n d o w sv i b r a t e ds e v e r e l ya tm o s tf r e q u e n c i e s w h e n i m p r o v i n gt h es t r u c t u r e ，t h e s ep a r t so ft h ec o n n e c t i o na n ds t i f f n e s ss h o u db e c o n s i d e r e dc a r e f u l l y t h ev i b r a t i o nr e s p o n s eo ft h ew h o l eb o d y w o r kw e r e l a r g ea tt h ef r e q u e n c yr a n g e2 0 h z - 4 0 h za n d1 2 0 h z 一1 4 0 h z ，w h i c hs h o w e d t h a tp a s s e n g e rc o m f o r tw a sp o o rb e t w e e nt h i st w of r e q u e n c y r a n g e s ( 6 ) t h e a c o u s t i c a lf i n i t em o d e lw a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h eg e o m e t r - cm o d e lo ft h eb o d y t h e n ，i t sa c o u s t i c a lm o d a l sw e r es t u d i e d t h ea c o u s t i c m o d a la n a l y s i so ft h ei n t e r i o rc a v i t ys h o w st h a tt h es y m m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o d y w o r kd e c i d e dt h es a m es y m m e t r yo ft h ei n t e r i o rs o u n df i e l di n i t st h r e ed i r e c t i o n s a st h er e s u l t ，t h em o d es h a p e sa r es y m m e t r i c a la l s oi ni t s t h r e ed i r e c t i o n s t h er e s u l ts u g g e s t st h a tt h er e s o n a n c ef r e q u e n c yo ft h e 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 铝合金地铁的发展历程2 1 3国内外模块化铝合金车体研究现状3 1 4 本课题研究的主要内容。5 第二章车体结构分析的有限元法 7 2 1 有限元法结构分析理论7 2 1 1 有限元分析基本步骤。7 2 1 2 有限元对结构进行动力学分析9 2 2 本文使用的有限元软件介绍1 1 2 2 1 h y p e r m e s h 软件简介n 2 2 2a n s y s 软件简介1 3 2 2 3s y s n o i s e 软件简介。1 5 本章小结。1 6 第三章车体结构简介及模型的建立 1 7 3 1 车体结构简介1 7 3 1 1 底架。1 7 3 1 2 倾0 墙1 8 3 1 3 车顶。2 0 3 1 4 端墙。2 0 3 1 5 车体主要技术参数。2 1 3 1 66 0 0 0 系铝合金简介。2 1 3 2 车体几何模型的建立2 1 3 2 1 单位制及材料性能2 2 3 2 2 模型的简化2 2 3 2 3 模型的建立2 2 3 3 车体有限元模型的建立2 4 3 3 1 模型的导入2 4 3 3 2 模型的几何清理2 4 3 3 3模型的网格划分2 5 3 3 4 模型网格的生成2 7 本章小结2 8 v 铝合金地铁车体静动态特性及车内声学模态研究 第四章车体结构有限元静力学分析 2 9 4 1 静力分析基本理论及流程2 9 4 2 静强度设计及栽荷要求3 0 4 3 静强度计算工况及计算结果3 1 4 3 1垂直过载载荷计算工况3 1 4 3 2 车端压缩载荷计算工况3 2 4 4 强度初步计算结论3 3 本章小结3 3 第五章车体结构模态分析 5 1 模态分析基本理论3 4 5 2a n s y s 模态分析3 5 5 2 1a n s y s 模态分析的过程3 5 5 2 2a n s y s 模态的提取方法3 6 5 3 模态评定标准3 7 5 4 整车自由模态分析3 8 5 4 1 第一种有限元模型3 8 5 4 2 第二种有限元模型4 0 5 4 3 第三种有限元模型4 3 本章小结4 5 第六章车体振动响应分析 6 1a n s y s 的谐响应分析4 6 6 2 不同频率下整车振动响应分布4 7 6 3 整个频率范围车体指定点处的响应4 9 本章小结5 1 第七章车内空腔声学模态研究5 2 7 1车室声腔模态分析理论5 2 7 2 声学有限元模型的建立5 3 7 3 声学模态分析5 4 本章小结5 8 第八章总结与展望5 9 8 1 工作总结5 9 8 2 展望5 9 参考文献 致谢 读硕士期间发表的学术论文 6 1 “ 6 5 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1课题研究的背景和意义 高效便捷的轨道交通是缓解我国由于城市人口迅速增长而造成交通巨大压力的 首选方案。地铁等轨道交通事业在这种形势下得以迅速发展，目前对城市轨道交通车 辆的需求不断增大，尤其是在人口和城市密集，经济相对发达的江苏省，需求更为迫 切。作为城市交通的重要组成部分，地铁具有快速、准时、便利的特点，特别适合城市 内部与城郊之间大规模的出行需求，成为现代城市公共客运交通体系的骨干，起到客 流组织的主导作用。地铁以其自身环保、节约、高效、舒适的特点，使城市各方面的 发展走上良性循环的道路，促进城市经济和文化的快速发展。 铝合金地铁车体是城市轨道交通设备的重要组成部分，它体现了一个国家的工业 技术水平，同时也反映出一国的人文特征。与传统的钢制车辆相比，铝合金密度小、 强度高、耐腐蚀性和成型性能好1 ，最重要的是符合轻量化要求，可以达到降低能耗 的目的。由于轻量化，减少了制动力和对轨道线路的静、动载荷，使线路的维修周期 和钢轨的使用寿命大大延长，可以降低维修费用和制造费用，延长大修期；而且铝合 金材料挤压成型容易，易于车体结构的优化，大量减少制造工时，可以挤压出各种复 杂的断面，使各部件厚度分配更趋合理。上海、广州、深圳、南京、杭州地铁车辆的 制造都要求采用铝合金车体。从我国城市轨道交通发展的形式来看其需求量较大，在 2 0 1 0 年全国铝合金车体需求在1 0 0 0 辆以上，单辆价值在千万元瞳1 。然而国内几乎大 部分地铁车辆几乎都是通过引进来解决。自身的开发能力差。因此研制和生产技术先 进、结构合理且成本相应较低的铝合金车辆必然会有广阔的前景，其经济效益和社会 意义是十分可观的。 现价段，国内外高速地铁列车大都采用模块化设计理念乜1 。模块化铝合金车体在 国内外都有着广阔的市场，而模块化车辆设计制造技术，目前国内外还处于起步阶段。 铝合金车体结构设计方面经验比较欠缺。大都以大铁路客车设计经验作为基础，对模 块化铝合金车体中空型材在各种载荷下进行的强度、动力学分析还未曾做过，模块化 技术也刚处于开始阶段，铝合金车体结构有待于分析、改进和优化。本文以模块化铝 合金a 型地铁为研究对象，建立了各模块及整车的有限元模型，对车体进行了静力学 铝合金地铁车体静动态特性及车内声学模态研究 分析、模态分析和谐响应分析；随后建立车内空腔有限元模型，对车内声学模态进行 了研究。 对铝合金地铁进行有限元静力分析，通过施加载荷模拟车体在各种工况下受力情 况，可以找到车身在各种工况下各零部件变形和材料应力的最大值以及分布情况。以 此为依据，通过改变结构的形状尺寸或者改变材料的特性调整质量和刚度分布，使车 身各部位的变形和受力情况尽量均衡。同时可以在保证结构强度和刚度满足使用要求 的前提下，最大限度地降低材料用量，使整车的自重减轻，从而节省料和降低油耗， 提高整车性能。 对铝合金地铁结构进行模态分析，开展车身结构的模态频率及振型分析可以预测 车身与传动系统、路面激励等发生相互影响的可能性，了解车体在某一频域内的各阶 固有频率和对应的固有振型，从而通过结构的合理设计避开车体与悬挂系统等发生共 振和改善车体的薄弱环节；也可使设计者认识到车体对于不同类型的动力载荷是如何 响应的，这样可以帮助他们了解车体结构特性，为生产实际服务，也可以帮助人们在 结构动力分析中估算求解控制参数b 1 。 对铝合金车体进行谐响应分析，可以得到位移对频率的幅频特性曲线及其它随频 率变化的情况。从这些曲线上可以找到“峰值 响应，并进一步观察峰值频率对应的 应力。对铝合金地铁进行谐响应分析，使设计人员预测结构的持续动力特性，从而能 够验证设计能否成功地克服共振、疲劳以及其它受迫振动引起的有害效果。 对铝合金地铁声腔进行模态分析，获得声腔模态频率和振型，为避免车室壁板与 车室空腔声学共振提供了非常有价值的资料，可用于指导车身系统初始的声学设计。 1 2 铝合金地铁的发展历程 1 8 9 6 年，法国首先将铝合金用于铁道车辆客车的窗框。1 9 0 5 年英国铁路电气化 时，利物浦市内的一段高架线路电动车的外墙板和内部装饰采用铝合金。美国在1 9 2 3 年一1 9 3 2 年间，有近7 0 0 辆电动车及客车的外墙板和车顶等采用铝合金。1 9 5 2 年，铝 合金车体在英国伦敦地铁上首次使用。时过2 年，加拿大多伦多地铁又制造了铝合金 车体地铁车辆h 1 。6 0 年代以后，德国科隆、波恩铁路的市郊电动车以及该国的客车也 相继实现了铝合金化。日本于1 9 6 2 年在山阳2 0 0 系电车上初次使用铝合金车体车辆 2 江苏大学硕士学位论文 陆6 7 1 ，此后陆续制造了3 0 0 系、5 0 0 系、6 0 0 系铝合金车体电车。现在日本高速客车 基本上都采用铝合金制造车体。欧洲一些国家在铝合金车体制造上技术已经成熟，并 进行了批量生产。 中国开发铝合金车体的起步较晚，1 9 8 9 年，长春轨道客车股份有限公司( 以下简 称长客股份) 开发了首辆铝合金地铁车体，目前仍在北京地铁运行。由于该车体制造 工艺繁琐，平整度较差而没有得以推广使用。1 9 9 6 年，铁道部组织人力、物力开发 i c e 2 型铁路闭式型材结构铝合金车体，长客股份采用德国进口材料，用简易自动焊 接设备和机加工设备制造出了中国第l 台闭式和开式型材混合结构铝合金车体。该车 体的制造成功，客观上促进了国内企业对车辆用铝合金材料的研究和开发。2 0 0 1 年， 长客股份公司建成了国内第i 条铝合金自动化焊接生产线，并利用国产材料，开发研 制了国内第l 辆磁悬浮列车。2 0 0 2 年，长客股份进入批量生产2 7 0k m h 高速客车、 2 1 0 k m h 电动车组和批量生产铝合金客车、城市轨道车辆的阶段，使中国具备了铝合 金车体生产的硬件条件。 铝合金车体经历了三个阶段随町n0 l ：板梁结构铝合金车体、板梁和型材混合结构 铝合金车体、大型开口型材和大型中空闭口型材及其组合形式。板梁结构铝合金车体 由于焊接变形犬，必须通过增加板厚来获得刚度，减重效果不明显，车体平整度不理 想，因此，在铝合金车体的发展过程中，纯板梁结构铝合金车体的数量并不多。闭式 型材结构或开闭式混合结构，是目前世界上采用最多的结构。其制造工艺简单，车体 平整度、刚度均较好。目前和以后发展的方向都是采用大型中空闭口型材形式。采用 此形式，可以减少车体零件的数量和焊接工作量，容易实现自动化，从而减少制造成 本提高整车的外观质量。 1 3 国内外模块化铝合金车体研究现状 地铁车辆的模块化是指在车辆设计时，将整车结构进行分解，形成若干独立而 又相互联系的分系统，即模块，如车顶模块、侧墙模块、底架模块、端墙模块。模块 化铝合金地铁车辆在欧美一些发达国家已经比较成熟n 呻别，加拿大庞巴迪的a d t r a n z 公司将发展部件的模块化设计作为公司的产品发展战略。近年来推出了7 种新型地方 线、城轨和地铁客车通用基础产品平台。对于各地的不同客车订货，采用以此通用平 3 铝合金地铁车体静动态特性及车内声学模态研究 台为基础，结合用户意见进行局部调整或改造，以此来降低造车成本缩短交货周期： 又如西门子公司n 3 1 4 m 射，开发了埃朗根轻轨铁路，用低地板轻轨车，由于其模块 化车体结构，注意模块组件相关功能的高度集成，有效地减少了组件的数量。近年来 为维也纳u - b a h n 线开发的采用m o m o ( m o d u l a rm o b i l i t y ) 理念的新型模块化车辆，其 造车和维护成本均有较大的降低。m o m o 理念的新型模块式车辆，建立车辆部件模块 化通用产品平台，将设计人员和技术人员结合在一起，力图实现技术性能和制造技术 的完美结合，并降低车辆造车和维护成本。 法国阿尔斯通在车辆的模块化设计制造中，将车辆按照不同的用途分成几个车型 提供给用户，减少了大量的设计、试验、开发时间，同时也减少了车辆的制造成本。 以阿尔斯通和西门子公司为代表的制造厂商都在积极开发车辆模块化技术，采用数字 化c a d c a e 车体动力学建模、模拟仿真和动态优化技术，提高了车体的动态性能。 在发展通用基础产品平台的同时，欧洲制造商的另一种有益尝试是发展宽体客 车。车体的加宽，可使客室内的空间增大，可安排更多的服务设施，有益提高服务水 平，如丹麦哥本哈根宽体( 车体宽度为3 6 0 0 m m ) 。 减轻车辆自重始终是车辆制造商努力的目标。走行装置是仅次于车体结构对车辆 自重影响较大的部件。轮对是转向架的主要部件，减少轮对数量是减轻车辆自重的有 效措施之一。法国t g v 客车n 们，通过铰接式车体使2 节客车共用1 台转向架，使列车 比传统列车几乎减少了一半轮对。西班牙的t a l g o 客车，则是最早采用单轴转向架的 国家，也实现了两车共用1 台两轮转向架的目的。由于减少了轮对，这必将使轴重增 大，加大了钢轨的负担。为了解决这一问题，一般车体的长度都受到了一定的限制。 目前国内长春客车厂青岛四方车辆厂南京浦镇车辆厂也都初步开始进行模块化 车体车辆的设计制造，但在设计技术和制造工艺上还有大量问题需要解决。 国内为了生产铝合金车体n 刀n 8 1 ，制定了相关的技术政策，多家铝型材厂家对大型 挤压型材进行了一些研究试制，如西南铝业集团就成功的挤压出了世界上最大的中空 铝型材。此外，由南京浦镇车辆厂和长春客车厂联合国内西南铝业集团、株洲电力研 究所、四方机车车辆研究所、南京康尼公司等多家单位，制造了3 辆具有自主知识产 权的铝合金地铁车辆，并进行了一系列的铝合金地铁车辆技术的研究。 崔培兴，杨怀文n 钔在原有的d k l 6 基础上，对其进行改进，采用鼓形侧墙，对钢 制车体结构进行了静力学计算、结构修改分析、结构动态特性计算和重量、重心及转 4 江苏大学硕士学位论文 动惯量计算，同时又对车体钢结构做了静强度试验，并对地铁车体结构强度和刚度评 价标准进行了探讨，为车体结构设计提供经验及参考依据。 吴云文，顾力强，周俊龙啪1 使用三维建模软件p r 0 e 和有限元分析软件a n s y s 对上海地铁列车齿轮箱吊座产生裂纹的原因进行理论分析并对疲劳寿命进行了评估。 得出了提高齿轮箱吊座的寿命，必须降低局部应力及应力幅，而k f 对局部应力影响 最大，具体的说，影响齿轮箱吊座疲劳寿命的主要因素是齿轮箱吊座的结构和焊接质 量。 缪炳荣，肖守讷瞳建立了交流内燃机车车体的有限元模型，通过对结构的模态计 算进行振动特性分析，描述了该车体的振动模态，为新的车体结构的设计修改提供理 论依据，明确了影响车体结构的主要影响因素，为减轻机车车体结构提供了参考依据。 国内关于铝合金车体结构设计方面的经验大都以大铁路客车设计经验作为基础 对模块化铝合金车体中空型材在各种载荷下进行的强度、模态分析还未曾做过，模块 化技术处于开始阶段，铝合金车体结构分析改进和优化等研究进行的不多。 1 4 本课题研究的主要内容 本文以新型高速铝合金a 型地铁不带导电弓的c 型车厢为研究对象，运用有限 元方法系统地研究了整车车身结构有限元建模、车体结构静态分析、模态分析、车体 结构在转向架激励下谐响应分析及车内空腔声学模态分析等c a e 关键技术，论文的 主要内容包括： 1 基于p r o e 平台建立了铝合金a 型地铁车体各部分模型及整车的c a d 装配模型， 为建立车体的有限元模型打下基础； 2 基于h y p e m e s h 软件完成车体有限元模型的建立，为车体静动态特性分析提供可 靠的动力学模型。 3 基于地铁车辆设计标准，选择垂直过载载荷和车端压缩载荷两种典型工况对车体 进行静力学有限元计算。 4 基于模态分析基本理论，对车体铝合金承载结构和整备状态进行模态分析，其中 整备状态下按空调机组和门窗的模拟方式不同又分了两种情况。 5 基于谐响应理论，通过在转向架与车体连接处施加单位简谐力，分析不同频率下 5 铝合金地铁车体静动态特性及车内声学模态研究 整车振动响应和整个频率范围内车体指定点处的响应。 6 根据车体几何形状建立了车内空腔声学有限元模型，对车内空腔的声学模态进行 了研究，获得了声腔模态频率和振型，为避免车室壁板与车室空腔声学共振提供了非 常有价值的资料，可用于指导车身系统初始的声学设计。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章车体结构分析的有限元法 2 1 有限元法结构分析理论 有限单元法( f e m ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是将弹性理论、计算数学和计算机软件 等有机结合在一起的一种数值分析技术。有限单元法具有精度高、适应行强、使用灵 活、计算快速等优点，己迅速发展成为求解结构静态、动态力学特性等工程问题的通 用的近似数值计算方法。它的基本概念是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为 有限个形状简单的子区域( 单元) ，即将一个连续体简化为由有限个单元组成的等效组 合体：通过将连续体离散化，把求解连续的场变量( 位移、压力等) 问题简化为求解有 限个单元节点上的场变量值。此时求解的基本方程将是一个代数方程组，而不是原来 的描述真实连续体场变量的偏微分方程组，得到近似的数值解。求解的近似程度取决 于所采用的单元类型，数量及单元的插值函数乜2 嘲乜钔。 2 1 。1 有限元分析基本步骤 利用有限单元法进行计算，一般要经过以下几个具体步骤： 1 结构离散化 结构离散化是有限单元法分析的第一步，它是有限单元法的基础。所谓离散化的 过程，就是将分析的结构物划分成有限个单元体，并在单元体的指定点设置节点，把 相邻的单元体在节点处连接起来组成单元的集合体，以代替原来的结构。单元和单元 之间仅通过节点连接，也就是说单元上的力只能通过节点传递到相邻的单元。 2 选择位移模式 在结构离散化完成之后，就可以对典型单元进行特性分析。为了能用节点位移表 示单元体的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，根据分片插值的思想必须对单 元中位移分布作出一定的假定，也就是假定位移是节点坐标的某种简单的函数，这种 函数称为位移函数或位移模式，位移函数的适当选择是有限单元分析的关键。在有限 单元法应用中，普遍地选择多项式作为位移模式。其原因是因为多项式的数学运算( 微 分或积分) 比较方便，并且由所有光滑函数的局部看来都可以用多项式逼近，即所谓 7 铝合金地铁车体静动态特性及车内声学模态研究 不完全的泰勒级数。至于多项式项数和阶次的选择则要考虑到单元的自由度和有关解 的收敛性要求。一般说来，多项式的阶次应等于单元的自由度数，它的项数应包含常 数项和线性项。 根据选定的位移模式，就可以导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系式， 其矩阵形式是： m = 【】 d ) 。 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中 以 为单元内任一点的位移列阵： d ) 。为单元的节点位移列阵：【】称 为形函数矩阵，它的元素是节点位置坐标的函数。 3 分析单元的力学特性 位移模式选定以后，就可以进行单元力学特性的分析，包括下面三部分内容： 利用几何方程式，导出用节点位移表示单元应变的关系式： ) = 【b 】 d ) 。 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中 s ) 为单元内任一点的应变列阵，p 】为应变矩阵。 利用物理方程，导出用节点位移表示单元应力的关系式： 盯) = 【d 弘) 8 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中 仃) 为单元内任一点的应力列阵： d 】为单元材料有关的弹性矩阵。 ( 3 ) 利用虚功原理建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式，即单元 的刚度方程： 伊r = 瞵】8 p r ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中 k 】。称为单元刚度矩阵， f ) 。为单元节点载荷。在整个单元体积域内 积分可得到单元刚度矩阵： k f = 【曰r 【d 】 曰】妣纰 ( 2 5 ) n 4 计算等效节点力 弹性体经过离散化后，力只能通过节点从一个单元传递到另一个单元，但是作为 实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元的。因而，这种作用在单元 边界上的表面边以及作用在单元上的体积力、集中力等都需要等效移置到节点上去， 8 江苏大学硕士学位论文 也就是用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。移置的方法是按照作用在单元 上的力与等效节点力，在任何虚位移上虚功都相等的原则进行的。 5 建立整个结构的平衡方程 这个集合过程包括两方面的内容：一是由各个单元的刚度矩阵集合成整个物体的 整体刚度矩阵：二是将作用于各单元的等效节点力列阵集合成总的载荷列阵。一般来 说，集合所依据的理由是要求所有相邻的单元在公共节点处的位移相等。于是得到以 整体刚度矩阵陋】、载荷列阵 f ) 以及整个物体的节点位移列阵 d ) 表示的整个结构 的平衡方程： 【k ) = ，) ( 2 6 ) 6 求解未知节点位移和计算单元应力 由集合起来的平衡方程组添加边界条件后，解出未知位移。最后，通过己求出的 节点位移可以计算任一单元及节点处应力及应变等，并整理得出所要求的结果瞳朝汹1 。 2 1 2 有限元对结构进行动力学分析 用有限元方法进行动力学分析和静力学分析的本质区别在于作用在结构上的载 荷晗7 | ，以及结构产生的位移应变应力等，前者是与时间t 有关，而后者与时间t 无关 但是就其有限元法的原理和方法步骤足基本相同的，所不同的是动态分析必须在结构 振动理论基础上建立动力学方程，在单元特性分析中除了形成刚度矩阵外，还要形成 质量矩阵与阻尼矩阵，以此来分析、求解特征值问题和动力响应问题。 有限元法进行动力分析大致可分为单元特性分析和结构的整体分析单元特性分 析。目的是建立单元结点力和结点位移、速度、加速度之间的关系式，即用结点位移、 速度、加速度来表示单元的结点力。整体分析的目的是建立个结构的结点平衡方程组。 根据结构振动理论啪2 钔啪1 在进行动力学分析时结构的平衡方程为： 【m 】【“o ) 】+ 【c 】【“( f ) 】+ 【k 】【“( f ) 】= 【f o ) 】 ( 2 7 ) 式中： m 一结构质量矩阵； c 一结构阻尼矩阵。 ( 1 ) 质量矩阵 结构的质量是由单元质量矩阵组合而成，其方法与表示总刚度矩阵一样，关键是 9 铝合金地铁车体静动态特性及车内声学模态研究 形成单元的质量矩阵，单元的质量矩阵在动力分析中分两种：一种是按分布质量计算 的一致质量矩阵；一种是集中质量矩阵。 一致质量矩阵通过推导可得到单元质量矩阵的表达式为： 【叫。= m r 4 n d v ( 2 8 ) 式中j ；i 为单元材料的密度。 将结构所有的单元质量矩阵胁】8 按节点集成就形成了整体质量矩阵【m 】，该整体 质量矩阵和整体刚度矩阵一样为带状对称方阵。 ( 2 ) 阻尼矩阵 阻尼力有两种，一是基于一致质量矩阵的单元阻尼矩阵，另一种是比例于应变速 度的阻尼矩阵，即正比于单元刚度矩阵 3 1 j 。 在此介绍一致质量矩阵的单元阻尼矩阵，用类似的方法推导出单元的阻尼矩阵 为： 时= 【r z n a v ( 2 9 ) 式中丘为阻尼系数 ( 3 ) 结构的自振频率和振型 在动力学分析中，结构的特征值和特征向量就是结构的固有频率与固有振型的计 算问题，是动力学分析的基本内容。实践证明，阻尼对结构的自振频率和振型的影响 不大，在求解频率和振型时可以略去不计。令激振力为零则得到系统的无阻尼自由振 动方程： 【m 】阻】+ 【k 】似】i = 0 ( 2 1 0 ) 自由振动时，各质点在其平衡位置附近作简谐运动各质点位移可以表示为： 舡) = 伽。，c o s ( 研+ 力 ( 2 1 1 ) 1 0 式中： ) 各节点的振幅向量即振型： 厅与该振型对应的固有频率： 6 相位角。 将上式代入系统的振动方程中，得： ( 【k 卜缈2 【m 】) 似。) = 0 江苏大学硕士学位论文 由于各结点的振幅 “。) 不能全为零，必存在非零解，故： i 【k 卜2 瞰】i = o ( 2 1 3 ) 结构离散化后有n 个自由度，则 n 和 k 均为n 阶方程，上式称为频率方程。求 解此式可解出n 个自振频率瓯，u 一2 ，瓦。 通过这些固有频率可以进一步求出各节点在自由振动中位移的一般解： 似】= 白似o hc o s ( r n l t + 硒1 ) + k 2 u o ) 2c o s ( r 移2 t + 口1 2 ) + k n u o ) 。c o s ( h 九) ( 2 1 4 ) 式中：恤。h 是和每个自振频率呸相对应的振型，k 的大小是根据结构的初始条件决 定的。 2 2 本文使用的有限元软件介绍 本文充分利用各个软件的优点，先在h y p e r m e s h 软件完成车体有限元模型的建 立：然后将生成的有限元模型导入a n s y s 软件中，进行车体结构静力学分析、模态分 析及谐响应分析；最后在s y s n o i s e 软件中完成车内空腔声学模态计算。下面对这三 种软件进行简要介绍： 2 2 1 h y p e r m e s h 软件简介 h y p e r m e