（固体力学专业论文）铰接式高速客车车体钢结构动态特性研究.pdf

u 鼍、哆弓l 7 西南交通大学硕士学位论文 摘要 y 3 1 8 1 1 0 本文研究铰接式高速客车车体结构的动力学建模技术。主要做了以下几个方面的 作： ( 1 ) 根据铰接式车体结构的特点，提出了针对车体侧柱、波纹地板、车顶弯粱及侧墙 上板等主要局部结构的几种有限元建模方法； ( 2 ) 针对车体上局部结构的不同处理，建立了1 1 种车体板壳梁组合动力学模型。详 细分析了车体侧柱、波纹地扳、车顶弯梁及侧墙上扳等主要局部结构的不同处理 对车体固有振动特性的影响。计算结果表明，在低阶频率范围内，车体板壳梁组 合模型不可避免地会出现局部振动模态。对于车体结构的工程动力学分析而言， 结构的局部模态并不重要； ( 3 ) 为避免在低阶频率范围内出现局部模态，本文提出了一种铰接式车体结构的粱式 动力学模型。计算结果表明，本文提出的车体结构的粱式动力学模型不仅在低频 范围内不出现局部振动模态，而且大幅降低解题规模，并具有较好的计算精度； ( 4 ) 提山了一种验证车体结构中纯扳壳局部振动频率及振型的有限元方法。 关键词：铰接式客车，车体结构，动力学建模，固有频率，固有振型。 a b s t r a e t t h ed y n a m i c a l m o d e l i n gt e c h n o l o g ya b o u tt h ec a r - b o d ys t r u c t u r eo fa na r t i c u l a t e d t y p e p a s s e n g e r c a ra th i g hs p e e di ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h ef o l l o w i n gw o r k sa r ei n c l u d e di nt h e p a p e r ： ( i ) a c c o r d i n gt ot h e - s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a r - b o d yo ft h ea r t i c u l a t e d - t y p ec a r , s 朗佩f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n gm e t h o d sf o rt h em a i nl o c a ls t r u c t u r e so f t h ec a rb o d y s u c h a st h es i d es t a n d i n gc o l u m n so ft h ec a r b o d y , t h ef l o o r sw i t haw a v es h a p e ，t h ec u r v e b e a m so f t h ec a r r o o f a n dt h eu p p e r p l a t eo f t h es i d ew a l l ，a r ep r e s e n t e d ( 2 ) b ym e a n so f t h ed i f f e r e n tm e t h o d so fd e a l i n gw i t ht h el o c a ls t r u c t u r eo ft h ec a rb o d y , 1 1 d y n a m i c a lm o d e l sw i t hs h e l le l e m e n t sa n db e a me l e m e n t so ft h ec a r b o d ys t r u c t u r ea r e d i s c u s s e d t h ee f f e c t so ft h em a i nl o c a ls t r u c t u r e s ，s u c ha st h es i d es t a n d i n gc o l u m n so f t h ec a rb o d y ，t h ef l o o r sw i t haw a v es h a p e ，t h ec u r v eb e a m so ft h ec a r r o o fa n dt h eu p p e r p l a t eo f t h es i d ew a l l ，o nt h en a t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a r - b o d ys t r u c t u r ea r ea n a l y z e d i nd e t a i l t h ec a l c u l a t e dr e s u l ts h o w st h a ti tc a nn o tb ea v o i d e df o rt h ei o c a im o d a l s h a p e o ft h es h e l l b e a mm o d e l so ft h ec a r - b o d ys t r u c t u r et oo c c b ri nt h el o w e r f r e q u e n c yr a n g e i nv i e wo ft h ed y n a m i c a la n a l y s i so ft h ec a r b o d ys t r u c t u r ei n p r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，t h e l o c a lm o d a l s h a p eo f as t r u c t u r ei sn o ti m p o r t a n t ( 3 ) i no r d e rt oa v o i dt h el o c a lm o d a ls h a p ei nt h el o w e rf r e q u e n c yr a n g e ，ak i n do fd y n a m i c a l b e a m - t y p em o d e lo f t h ec a r b o d ys t r u c t u r ei sp r e s e n t e di nt h ep a p e r t h ec a l c u l a t e dr e s u l t s h o w st h a tt h ed y n a m i c a lb e a m t y p em o d e lo ft h ec a r - b o d ys t r u c t u r ec a nn o to n l ya v o i d t h el o c a lm o d a ls h a p ei nt h el o w e rf r e q u e n c yr a n g e ，b u ta l s oc a l c u l a t ea p p r o x i m a t e l yt h e n a t u r a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x a m i n e ds t r u c t u r ew i t hl e s sd e g r e e s o f - f r e e d o mt o g o o da c c u r a c y ( 4 ) af i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h el o c a ls t r u c t u r eo ft h ec a rb o d yi su s e dt oc h e c kt h e f r e q u e n c ya n dm o d a ls h a p eo f l o c a lv i b r a t i o no fal o c a ls h e l li nt h ec a r - b o d ys t r u c t u r e k e yw o r d s ：a r t i c u l a t e d - t y p ep a s s e n g e rc a r , c a r - b o d ys t r u c t u r e ，d y n a m i c a lm o d e l i n g ， n a t u r a lf r e q u e n c y ，n a t u r a lm o d a ls h a p e 西南交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着铁路日益向高速、轻量化等方向发展车辆的结构日趋复杂，对车辆的工作性 能、运行平稳性等静动态特性要求越来越高，为使车辆安全运行，其结构系统必须具有 良好的静动特性，为此，就必须对车辆进行动态特性分析。而且为使分析准确有效，为 设计、施工等及时提供有关信息，恰当地采用较合理有限元模型至关重要口1 ”“ 。 铰接式高速客车是高速铁道车辆中的一种重要车型。车辆高速化( 3 0 0 k m h 以上 的运行速度) 会带来许多新的技术问题。铰接式高速客车车体在国外高速列车上的运用 已取得了很人的成功，借鉴国外发达国家开行高速列车的经验，我国己着手研制德国i c e 非铰接式高速客车和法国t g v 铰接式高速客车，将铰接式客车作为高速技术的研究在 国内尚属首次。铰接式客车不同于传统式客车，具有以。f 几个主要特点 i 3 ： 车体的连接铰接点及支承点均位于端墙外，而传统式客车支承点位于车体枕粱心 盘处。 易于设计成鱼腹式低重心结构，而传统式客车由于车内转向架的存在t 要实现低 重心结构，相对而言就比较困难： 对车体弯曲特性有较高要求，这主要是由于车体支承点位于端墙外，更易受来自 轨道的激扰的影响； 车体的一端为铰接端，另一端为支承端，每一中间车体均为三点支承：而传统车 体均是位于枕梁两点支承或四点旁承支承。 为实现铰接式客车的上述主要特点，该车体钢结构设计突破了传统设计模式，使 其具有许多独特之处以适应承受传递牵引纵向力、承受垂直载荷以及客车车体的垂直 弯曲频率不低于1 0 h z 的需要，因而对铰接式车体钢结构动态特性的研究是非常重要。 1 2 铰接式高速客车车体钢结构动态特性的研究现状和不足之处 就高速车而言，对其车体钢结构的动态特性进行研究，获取其各阶固有频率和振 型等模态参数是非常重要，铰接式高速客车也不例外。目前对铰接式高速客车车体动态 特性进行研究所采用的方法是采用有限元技术建立非常复杂的有限元模型来进行，郎建 立板壳粱单元组合的车体有限元离散化模型，而后利用标准程序计算得到车体低阶频率 币i 振型等动态特性，由此米指导设计，避免车辆出现共振现象。由于建立的车体动 力学模型相当复杂，导致对计算设各的要求过高，特别是要想得到车体结构的高阶频率 l 西南交通大学硕士学位论文 很困难，因为这种复杂模型往往会出现许多板壳结构的局部振动模态。因此，对铰接式 高速客车的车体动力学建模技术还需做深入的研究r 作。 从模态分析的角度来看纯粱式有限元模型能避免出现过多的局部模态问题，但 存在一个如何将板结构参数向粱元上等效简化的问题。能否用一个相对简单的车体动力 学模型来替代原复杂的动力学模型来进行动态特性研究，并能使计算结果保持足够的精 度，以此来指导设计，在铁路客车研究领域内尚属空白。因此，很有必要通过研究分析 找到一种能够替代原板梁组合形式复杂模型的简单模型，同时也有必要对不同复杂模型 的动态特性分析结果进行对比研究得出有关结论。这样对类似结构车辆，甚至对其它 结构形式车辆的动态特性分析的建模都能起到指导作用。 1 3 本文的主要工作 对铰接式高速客车车体钢结构进行有限元离散化，分别建立车体结构的复杂的板 粱组合动力学模型( 以下简称“混合模型”) 以及粱式模型( 除支承端端墙板和空气弹 簧座外) 动力学模型( 以下简称“粱式模型”) 。用a n s y s 程序对混合模型和粱式模型 进行固有振动特性计算。比较混合模型和梁式模型之间的优缺点，给出铰接式高速客车 车体结构动力学建模技术中一些工程适用的简化方法。 本文第二章介绍文中所用到的一些结构动力学基本理论与分析方法。第三章讲述 铰接式高速客车车体结构的特点及动力学建模方法。第四章对混合模型与梁式模型的动 力学计算结果进行对比分析。第五章为全文总结。 2 西南交通大学硕士学位论文 第二章结构动力分析理论与方法 本章主要介绍实模态理论承f 复杂结构的模态分析方法。考虑到子空闻迭代法是在 r a y l e i g n - - r i t z 法基础上发展起来的数值方法，所以首先介绍复杂结构的模态r a y t e i g n r 1 t z 法和子空间迭代法。 2 1 实模态理论h 2 6 ”m 实模态理论是线性多自由度系统中应用最广的动力分析理论，是子结构模态综合法 的理论基础。实模态理论是建立在系统的无阻尼自由振动分析基础上的，对麻的数学方 程是特征方程，或称固有振动方程。 多自由度系统的运动微分方程为 阻】缸( r ) + k 】印( f ) ) + 【t 】每( f ) ) = 扫( f ) ) ( 2 1 1 ) 式中 m l 【c 】和【k 】分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵， p ( t ) i i 为步b f l j y u i n ， u ( t ) ，为广义位移列阵。 当公式( 2 1 1 ) 中阻尼矩阵【c 】一0 和激振力向量 p ( t ) ) = 0 时，有 【m 】缸( f ) ) 4 - 瞳】( f ) = 0 ( 2 1 - 2 ) 令 扣( ，) j = 扣 s i n ( c a + 0 ) ( 2 1 3 ) 代入( 2 i - 2 ) 式并约去因子s i n ( a g + 口) 后有： 怔卜缈2 阻脑) = 0 ) ( 2 1 - 4 ) 上式有非零解的充要条件是系数行列式的值等于零，即 i x l 一兄】| - 0 ( 2 i - 5 ) 其中 = 2 ，( 2 1 - 5 ) 式称为特征方程，具体可写为 k 一加i l k 1 月一抽l d l k 二二。，二。二二磊。卜 旺小6 上式左端展开后是一个关丁j 的r 1 次代数多项式，称为特征多项式，上式的解即为 特征根或特征值。 由线性代数中的有关定理，对丁正定的质量矩阵【m 】和半正定的刚度矩阵【k 】，( 2 1 - 5 ) 西南交通大学硕士学位论文 式有n 个不小于零的实数根。特征值按升幂编号排列有： 0 s 五，s 五，- - - s 五 ( 2 1 7 a ) 或0 甜s ，5 一。 ( 21 7 b ) 式中，五，称为系统的第i 阶特征根，国，即为系统的第i 阶国有频率。 满足( 2 ，1 5 ) 式的非零向量称为特征向量，对应于 的特征向量 痧 称为系统的 第i 阶主模态 ：程通常称为主振型，或简称振型。 2 2 复杂结果模态分析m 一”，”：e 3 0 ” 厂义特征问题( 2 ，l 。4 ) 式的求解有许多方法，对丁大型特征值问题来说，某些基本解 法，都有一定的局限性，列如j a c o b i 法等，可求得精确的全部解，但对适当容量的计 算机用高速内存计算时，仅适合中小型特征值问题。在实际问题中，我们感兴趣的仅是 结构的低阶频率和振型，因此不会考虑j _ j 这些方法求解大型特征值问题。向量迭代法可 以用米求解部分特征值，但仅保证最低阶的精度较好，随着阶数上升，进度越难保证； r r 法也能用于求解部分特征解，但它的精度取决于r i t e 基向量所张成的m 维子空间 与前m 个特征向量所张的子空闻的接近程度，两这种接近程度，r - r 法本身无法调整。 子空间迭代法是目前用得较多的一种方法由丁它一般不会漏根，所以是一种较可靠的 方法。本节将介绍复杂结构摸态分析中常用的r a y l e i g h r i t z 法及子空间迭代法，应用 这些方法可以较为方便地获得复杂结构系统的低阶主模态。在这些方法中，最终要归结 到一个经过缩减的求解全部特征值的广义特征值问题，且规模很小，可以很容易地应用 各种经典方法求解。 2 2 1 r a y l e i g h r i t z 法 r a y l e i g h r i t z 法是应用很广的一个近似方法，也是建立其它近似动力分析方法的基 础，这一方法的基本出发点是假定系统的振型可用若干个选定的假设模态来表示，即 钟= 妒【) g i + 2 q 2 + y 。) q 。 ( 2 2 - 1 ) 简写为 中 = v q j( 2 2 - 2 ) 式中的 q 为待求的模态坐标向量 v 为假设模态( 称为r i t z 向量) 所组成的坐标 变换矩阵。r i t z 向量的选择必须满足些基本要求，它们必须满足原系统的约束条件， 彼此之间应该线性独立。所选的r i t z 向量品质的好坏，对解的精度影响很大。一种较为 4 西南交通大学硕士学位论文 实刚的方法是通过静力凝聚法来获得r i t z 向量。将系统的自由度分为两部分：m 个自 由度为主自由度，其余为副自由度，系统的刚度矩阵相应分块为： 叫乏姜：i ( 2 2 - 3 ，。i 忑石：i 州小k 1k o o z 删 当系统咀频率u 作自由振动时，其最大动能利势能可分别表示为： k a x = 三甜2 西7 矿1 7 【a f 】【矿】 g ( 2 2 - 5 ) u 一= 去 种【缈】7 k 】 y 】 g ( 2 2 - 6 ) 对于保守系统两者应相等，即得r a y l e i g h 商： 。2 ：! ! ! ：【兰 ：【茎! ! 竺! ! ! ! ：! ；唑( 2 2 7 ) q ) 。 州。 m c j l q m 国) 】 由于r a y l e i g h 商总是高于系统相应的特征值，因此选择适当的广义坐标 q 使 得r a y l e i g h 商c o2 为最小，就能获得系统最好的近似模态。这样对( 2 2 - 7 ) 式求极值： ， 厨】粤一雨掣 鍪：坠i 丑：0 ( 2 2 - 8 ) ，瞳】2 由( 2 2 7 ) 式，可得：医】- 国2 陋】代入上式后得到： 幽一曲z 幽：o a q l8 q j 从 k l s t l m 】的表达式： 【霞】= 9 ) 7 e 1 1 k 】【y 】( g ) 【厨】- 7 州7 【硝】 纠 可以建立： ( 2 2 9 ) ( 2 2 - 1 0 ) ( 2 2 - 1 1 ) 西南交通大学硕士学位论文 代入( 2 2 - 1 0 ) 得 e l k _ a l ：2 讲7 【矿1 7 【k 】 ) o q t e 1 m _ _ j ：2 7 【矿1 7 【吖】帆) d 吼 g 7 】7 【足 矿。) 一c 0 2 口 7 矿 7 【 卅 ，) = 0 把这m 个方程合并在一起，得： ( 2 2 - 1 2 a ) ( 2 2 1 2 b ) ( j7 【k 1 矿卜甜2 【y r 【 ，】【】 讲= 0 ( 2 2 - 1 3 ) 令【k 】= 【y 】7 【k 】【y 】 ( 2 2 - 1 4 a ) 【m + 】_ 纠7 【m 】眇 最后得到一个m 阶的广义特征值问题 ( 【k 卜9 0 2 【m ) g ) = 0 ( 2 2 - 1 5 ) 这样把一个n 阶的广义特征值问题转化为一个m 阶( m k 1 ) 个初始r i t z 向量 v ( o ) ，设 o ( o ) = v o ) z ( o ) = v ( o ) ( 2 2 一1 9 ) 其中已令 z f 0 1 = i 为单位矩阵，然后把 v ( 。) 作为试探向量基代入( 2 2 1 8 ) 式，求 解新的r i t z 向量基： 【k 】【- ( 1 ) 】i 【膨】【y ( 。) ( 2 - 2 - 2 0 ) 对于复杂结构，在实际计算中并不对刚度矩阵 k 】实施求逆过程来求解【甄n 】，而是 应用乔列斯基分解方法求解【甄1 。 为了在迭代求解过程中保持r i t z 向量间的正交性，以新的r i t z 向量( 甄，) 对系统 进行坐标变换。并进行一次特征值分析，令 【k j ) 】= 【甄) 】7 【k 】【y ( 。) 一【甄。) 】7 【m 】 妒( 。) 】 【m 南】= 【甄，) 】7 【m 】 吸，) 1 由此建立m 阶特征值问题 【k j ) 】【z ( 1 ) 】- 【m i z 【1 ) 】【 ( i ) 】 从上式求得特征向量 z 。 后对它进行正则化，使之满足下列条件 7 ( 2 2 - z 2 ) 西南交通大学硕士学位论文 z m 九m j ) 】 z 】_ 【，】 ( 2 ，2 - 2 3 ) 经过上述一个循环，得到迭代一次后的新的r i t z 向量基 ( 1 j 】- 【妖i ，】= 【吸l ，1 z ( 1 ) l ( 2 2 - 2 4 ) 进行第二次迭代过程时，以 9 ( ) 作为试探向量基代替 v ( 。) 重复从( 2 2 - 2 0 ) 式到 ( 2 ，2 2 4 ) 的计算过程，可以求得第二次迭代后的r i t z 向量基。由此迭代的一般过程可 以表述为： 【足 _ ( ，) _ 【m 】【甄“) ( 2 2 - 2 5 ) 其中要求 【k ；) 】= 【甄，) 】7 【m 】【矿( h ) 】 吖j ) 】= 【甄。) 】7 肼】【甄。) 】 k j ) 】【z m 】_ 【m ：) 】【z 】 】 ( 五。) 】7 【m j ) 】 z 】- n 】 【蛾“) - 【妒( ) 】= 【甄，) 式中下标( i ) 表示第i 次迭代，如此迭代下去，上述结果将收敛于系统的真正的特征值和 特征向量，即主模态向量 鼢粥c ，( 2 2 - 3 0 ) 8 7 8 9 2 2 2 一 一 一 2 2 2 2 2 2 西南交通大学硕士学位论文 第三章铰接式高速客车车体钢结构的结构特点 和动态特性计算 本章主要介绍铰接式高速客车车体钢结构的结构特点以及各混合模型 l 粱式模型在 j ：作站上运_ e i j a n s y s 程序计算的固有动态特性。 3 1 铰接式高速客车车体钢结构的结构特点d 4 铰接式高速客车车体钢结构为无中粱式具有波纹地板的薄壁筒形整体承载结构，由 底架、侧墙、车顶、端墙及车端连接部分组成。乍体钢结构的外观与传统式车体有异。 这主要表现在：钢结构关于纵向中心线不对称，午体一端为支承端，另一端为铰接端， 车体仅在一端设有两侧门；车体端墙外的连接结构，不仅具有连挂功能。而且具支承、 传递纵向和垂直作用力的作用；车体在底部波纹地板的下方设有设备仓，同时车体底部 殴计成鱼腹形：车体的侧墙板向两端外部延伸等等。所有这些表明，铰接式高速客车与 传统式客车在结构上差异很大。下面就其底架组成、侧墙组成、端墙组成、车顶组成分 别加以阐述。 3 1 1 底架组成 底架为无中粱结构，兰鱼腹状外形，包括底架钢结构和悬挂设备两部分。底架钢结 构由中部底架、靠近支承端的一位端底架和靠近铰接端的二位端底架三部分组成。 一位端底架由底架端粱、纵向梁、边粱、通过台等部件组成。底架端梁为壁厚8 m m 、 宽2 0 0 m m 的变高度矩形闭合断面梁，在车体端门处和边粱处的高度分别为2 3 0 m m 和1 5 0 m m 。 纵向梁由厚8 m m 钢板拼焊成宽1 1 0 m m 的变高度矩形闭合断面梁，一端贯通底架端梁后立 板，与车体连接结构缓冲梁相连，另一端与通过台相连，纵向粱两端高度著在8 0 0 m m 的 长度内逐渐过渡，在纵向梁与边粱之间各布置了两根乙形断面横梁。通过台由两根箱形 断面的横梁及其间的纵粱、斜梁组成。 中部底架由西根近似乙形的底架边梁和其间槽形断面的小横梁上铺设波峰和波谷 宽分别为2 8 m m 、5 8 m m 、波高为3 2 m m 、厚为1 5 m m 的纵向波纹地板组成。 二位端底架组成与一位端底架组成结构相似，由底架纵向梁、边梁、通过台等组成， 9 西南交通大学硕士学位论文 不同之处在于二位端没有车门，因此通过台没有车门位置。 设备仓由斜撑和设备仓横梁组成了u 形断面，并由底架边粱连接成整体框架斜吊 梁加强了设备仓框架与底架组成的横向联系，而端部斜撑则加强了设备仓与底架的纵向 联系。 3 1 2 侧墙组成 该车体钢结构包括位侧和二位侧两个侧墙。侧墙钢结构由纵向的上边梁、窗上梁、 窗f 粱、f 纵梁和侧柱、门柱、窗上立柱、窗下立柱等构成框架，外焊1 5 m m 厚的侧墙 板，组成框架式薄壁结构。 侧墙上边梁由异形断面压制仆组成，分别与车顶弯粱和侧柱焊接，侧墙与车顶共用 上边梁，车顶不设边粱。 侧柱由大宽度帽形压制件制成，中部开长圆孔以减轻白重，布置在窗间及侧墙两端 部，侧柱上部和r 部分别与侧墙上边粱和底架边梁焊接。 为提高门窗处和侧墙蒙皮法线方向的刚度，除人宽度帽形侧柱外，沿车体纵向也布 置了较强的纵向粱件。在侧墙窗下蒙皮折弯处，通长布置了一根较强的下纵梁，增强了 侧墒此折弯处的刚度。窗上粱亦设计成较强的通长布置的纵粱，增强了车窗的刚度。 3 1 3 端墙组成 端墙组成与传统式车体端墙有显著不同。它既具有一般端墙的安装折棚、设置通过 台的功能，同时又具有连挂和支承车辆的作用。根据端墙钢结构的不同功能，一、二位 两端分别为支承端端墙和铰接端端墙。 支承端端墙由支承连接组成、空气弹簧支承座、连挂框架组成、端墙骨架等组焊而 成。支承端端墒骨架由车顶压型弯粱组成、门立柱、横粱和空气弹簧座立柱及2 m m 厚的 端境叛组焊而成。其端墙侧桂和底架横粱分属于侧墙和底架钢结构。端墙骨架外例是两 门外立柱和连接框架组成，主要是提供两铰接式车辆之间的通道，同时其框架环行梁与 支承连接组成相连。支承连接组成是端墒组成中最重要的部件，是实现与另一车体铰接 端连接以及实现与转向架连接的中间结构。空气弹簧支承座采用的是近于等强度悬臂的 箱形焊接结构，部件组焊后与端墙空气弹簧立柱和底架横梁相应部位连接。 1 0 西南交通大学硕士学位论文 铰接端端墙钢结构由铰接座组成、连接框架组成、端墙骨架等部件组成。铰接端端 墙骨架与支承端端墙骨架基本一致，只是由于此端是支承丁另一个车体支承端上，没有 空气弹簧支承座，因而在相应位置上取消了空气弹簧立柱，其它部位的结构与支承端端 墙骨架相同。门上弯梁由于在横向是一个变断面梁，连接框架组成位于端墙外侧，与门 枉内侧面对齐，形成车体钢结构的通过台，这部分的结构与支承端的结构相同。铰接鹰 组成包括纵向缓冲梁、两个横向联系梁和一个铸造的铰接座。纵向缓冲粱由上盖扳、下 盖板、内外立扳组焊成一个箱形梁。铰接座分别在两侧与内立板组焊，最后由左右对称 的两个横向联系粱连接到连接框架环形梁和纵向粱上。 3 1 4 车顶组成 车顶钢结构由带纵向乐筋的车顶板内焊车顶弯粱构成。车顶弯梁由乙形压制件制 成，纵向压筋车顶板采用厚为1 5 m m 的钢板压制而成；车端弯梁为角形压制件，它增加 了车顶板的端部刚度。 西南交通大学硕士学位论文 3 2 铰接式高速客车车体钢结构有限元模型及其动态特性计算 为了考察车体上各局部结构的不同动力学简化方法对车体结构同有振动特性的影 响，本文通过对车体侧柱、侧墙窗上板、波纹地板以及车顶弯粱等主要部位的不同处理 建立了车体结构的1 1 种板壳粱组合的复杂动力学模型。在此基础上，为适应实际工程 动力学分析的要求，提出了一种相对容易实现的梁式简单动力学模型。对混合模型和粱 式模型均采用a n s y s 程序进行固有振动特性计算。 3 2 1 混合模型i 及其动态特性计算结果 该模型将午体中部客室内部宽度较宽的帽形侧墒侧柱作分开式侧柱处理：同时将窗 上扳( 指介于窗上粱与车项小圆弧处上边梁之间的扳) 向周围附近粱上作等效处理，其 质量以质量元等效施加在相关节点上；此外波纹地板以板粱组合形式等效处理，建立复 杂模型，简称“混合模型i ”。 该有限元模型共6 9 4 9 个社点，1 1 6 5 0 个单元，其中梁单元5 2 9 4 个，板壳单元6 2 7 6 个质量元8 0 个。边界条件的处理( 其它方案与此相同) 是将空气弹簧座处相应节点 吲定同时将铰接处相应节点的三个方向的线位移加以约束。其离散图详见图3 2 - 1 ， 其余混合模型( 除混合模型x 1 9 - ) 的有限元离散圈与此图有许多类似之处，本文将一并 略去。 由于工程中感兴趣的仅是结构的低阶固有频率和振型，因此本文仅计算结构的前6 阶频率及振型，详见图3 2 2 图3 2 7 。 图3 2 1 混合模型i 离散图 西南交通大学硕士学位论文 图3 2 2 混合模型i 第一阶振型图 a n s y s5 4 a p r2 11 9 9 9 0 8 ：1 2 ：2 9 d i s p l 矗c e m e n t s t e p = 1 s u b = 1 f 船q = 1 6 3 0 3 p o w e g r a p h l c 8 e f a c e t = 1 a 僦s = m a t d h x = 0 2 5 9 0 8 d s c a = 3 6 9 3 1 xv_54 5 y v _ - 8 3 5 5 zv_-07015 d i s t = 99 6 6 x f= 84 8 2 y f= 一2 2 8 5 4 6 z f 一44 9 7 8 一z s = 8 9 1 2 z b u p p e r 图3 2 3 混合模型i 第二阶振型图 a n s y s5 4 a p r2 71 9 9 9 0 8 ：1 4 ：3 4 d i s p l a c e m e n t s t e p = i s u e = 2 f r e q = 1 6 8 0 6 p o w e r g r a p h i c 8 e f a c t = 1 a v r e s = m a t d m xt d 2 3 0 5 d s c a = 4 1 5 0 9 x vt - 4 0 1 w = _ 8 6 2 8 z v = 3 0 7 9 * d i s t = 1 0 5 6 * x f。8 5 0 8 o z f= 4 5 6 4 7 5 a 一2 s = 5 3 9 9 z b u f f e r 西南交通大学硕士学位论文 图3 2 - 4 混合模型i 第三阶振型图 图3 2 5 混合模型i 第四阶振型图 a n s y s5 4 a p r2 11 9 9 9 0 8 ：1 1 ：4 7 d i s p 【a c e m e n t s t e p - 1 s u b = 3 f r e q = 1 9 8 5 p o w e r g r a p h i c s e f a c t = 1 a v r e s = m a t d m x = 0 3 1 5 2 4 a n s y s54 a p r2 11 9 9 9 0 8 ：1 9 ：0 4 d i s p i a c e m e n t s t e p = l s u b = 4 f p e q = 2 4 4 1 3 p o w e r g r a d h i c 8 e f a c e t = 1 a v r e s = m a t d m x ；0 5 8 1 9 7 5 l 6 8 1 5 9 7 6 6 8 4 8 3 1 1 5 s 0 6 o i 3 5 5 r 0 2 o i 3一；85 p =一一；=_i一一11 p a t s u c s z b s v v v i p p 一一 d x y z d x z a z * 8 8 1 8 2 1 4 4 7 1 5 1 1 4 8l； 5 7 7 9 4 6 3 r 62 8 6 e 1一一i5 p i l i ；= 1 i 1 i 1 l l i f a t s u c s z b s v v v i f f p 一一 d x y 2 d x y 2 a z 西南交通大学硕士学位论文 图3 2 6 混合模型i 第五阶振型 图3 2 7 混合模型i 第六阶振型 a n s y s5 日 p r2 11 9 9 9 0 8 ：2 1 ：0 1 d i s p l a c e t 莅n t s t e p = l s u b = 6 f r e q = 3 2 0 8 3 p o w e r g r a p h l c s e p a c e t ；1 a v r e s z 棚a t d m x = 2 3 3 6 0 6 t c 5 9 n 7 i 3 9 e 9 h 7 4 9 m 5 p t 3 1 5 a i a 8 5 5 c o c i l m 0 1 ： 1 5 3 g t = s 2 9 l = = = c e s = y l p p q e c e 攫尝潞嚣蹴 3 o l 一7 2 9 2 6 1 e 1 9 4 1 目3 8 1 1 8 1 8 4 6 6 4 4 9 r 1，il e l 一一 1 8 7 p=#=；=p a t s u e s z b s v v v i p p p 一一 d k r 2 d x y z 盏z 30 3 l ； 一l 6 5 8 5 2 e 1 1 9 4 0 3 6 7 3 l 2 0 7 6 1 o 4 6 1 r 2， l 8 8 e 4一一9 8 6 f = = = i = = ，i p a t s u c s 2 8 s v v v i p f f 一一 d 并y z d x y z a z 西南交通大学硕士学位论文 3 2 2 混合模型i i 及其动态特性计算结果 该模型将车体中部客室内部宽度较宽的帽形侧墙侧柱作一体式侧柱处理其余结构 处理方法与混合模型i 中相同，简称“混合模型i i ”。 该有限元模型共7 0 1 5 个节点，1 1 5 4 2 个单元，其中梁单元5 0 9 8 个，板壳单元6 3 6 4 个，质量元8 0 个。其前6 阶频率及振型如图3 2 - 8 图3 2 - 1 3 所示。 图3 2 8 混合模型i i 第一阶振型 a n s y s54 a p r2 11 9 9 9 l6 ：2 7 ：4 3 d i s p l a c e m e n t s t e p = 1 s u b = 1 f r e o = 1 6 9 8 9 p o w e r g c a p h i c g e p a c e t = 1 a v r e s = m a t d 陬= 0 4 4 8 7 d s c a = 2 13 2 4 x vh3 0 8 y vl9 1 0 7 z v= 2 7 5 2 d i s t = 1 0 5 8 x f= 8 4 7 y p= 1 1 1 9 3 4 z f= 8 0 1 6 5 7 a z s = 4 9 5 4 z b u f f e r 西南交通大学硕士学位论文 图3 2 9 混合模型i i 第二阶振型图 图3 2 1 0 混合模型i i 第三阶振型图 a n s y s5 4 a p r2 1 9 9 9 1 6 ：2 b ：4 4 d i s p l a c e m e n t s t e p = 1 s u b = 2 f r e q = 1 1 0 2 5 p o w e r g r a p h i 0 8 e p a c e t = 1 a v r e s = m a t d m x = 0 2 3 2 7 3 a n s y s54 a p r2 11 9 9 9 1 6 ：3 0 ：0 4 d i s p l a c e m e n t s t e p = 1 s u b = 3 f r e q = 1 98 5 3 p o w e r g r a p h i c s e p a c e t = 1 v r e s = m a t d m x = 。0 7 4 4 5 2 6 2 7 2 5 1 4 5 5 6 9 5 5 1 4 6 1 5 0 7 7 l；5 r l ，2 0 4 0 e 4 一一 1 8 6 f =；e；=f a t s u c s z b s v v v i p p 一一 d x y 2 d x z a z 女女 3 2 1 5 2 3 5 4 5 3 3 3 0 4 2 4 8 4 7 3 4 1 1 8 0 4 7 58r 232 b 1一一i4 p=l=f a t s u c s z b s v v v i p f f 一一 d k r 掣d x y z 直2 西南交通大学硕士学位论文 图3 2 - 1 1 混合模型i i 第四阶振型图 图3 2 1 2 混合模型i i 第五阶振型图 a n s y s5 4 a p r2 71 9 9 9 1 6 ：3 1 ：5 7 d i s p l a c e m e n t s t e p ；1 s u bz 4 f r e q - 2 48 2 6 p o w e r g r a m h i e s e f a c e t = 1 a v r e s = m t d m x = 0 8 4 9 8 3 ； 9 1 5 5 5 8 5 4 2 8 6 5 8 2 2 ，3 l 7 7 9 3 5 2 8 0 4 9 s r 1 5 0 i 6 e 1一一2 f=；=f a t s u c s z b s v v v i p f p 一一 d x y z d x y z a z s t c 9 n 5 i 9 e 5 h 9 4 9 m 1 p t t e a 1 a o 5 5 c 5 r - m 1 a 1 5 2 g t = 1 s 2 2 l ；= = r e s = y 3 p p 0 e c b 豫“2啊宕j州从州嘣 a a i d s s f p e a d 3 8 3 2 3 2 0 5 6 9 4 5 2 i 6 4 6 1 3 1 1 3 8 5 1 3 4 7 r 8i i日一一i=j#=f a t s u c s z b s v v v i f f 一一 d x y z d x z a z 西南交通大学硕士学位论文 图3 2 1 3 混合模型i i 第六阶振型图 a n s y s5 4 a p r2 11 9 9 9 1 6 ：3 3 ：5 9 d i s p l a c e m e n t s t e p z l s u b = 6 f r e q = 2 5 8 l l p o w e r g r a p h i c s e f a c e t = 1 a v r e s = h a t d m x = 13 0 3 d s c a ；1 3 4 3 0 8 x v _ 1 9 5 3 y v”9 0 1 7 z v= 3 8 5 8 d i s t = 1 07 6 1 x f= 8 4 7 y p= 4 2 0 9 0 3 z f= 8 7 0 6 2 l a z s = 3 0 2 4 2 一b u p p e r 3 2 3 混合模型及其动态特性计算结果 该模型将车体中部客室内部宽度较宽的帽形侧墙侧柱作分开式侧柱处理，但将窗上 板以板壳元来处理。其余结构处理方法与混合模型i 中相同，简称“混台模型i i i ”。 该有限元模型共7 2 3 1 个1 i - 点，1 2 0 5 2 个单元，其中粱单元5 2 9 6 个，板壳单元6 7 4 8 个，质量元8 个。其前6 阶频率及振型如图3 2 1 4 图3 2 1 9 所示。 1 9 西南交通大学硕士学位论文 图3 2 1 4 混合模型i i i 第一阶振型图 图3 2 1 5 混合模型i i i 第二阶振型图 a n s y s5 4 a p r2 61 9 9 9 1 6 ：0 8 ：2 2 d i s p l a c e m e n t s t e p = 1 s u b = 2 f r e o = 1 69 3 5 p o w e r g r a p h i c s e f a c e t = i a v r e s = m a t d m x = 0 3 1 5 5 9 s t c 6 9 n 6 i 4 9 e o h 8 4 9 m 3 p t 6 1 2 e 1 & 0 5 4 c 6 r = m l 6 a l l l g t = s 2 6 l = i i l = y 0 p p q e c e s r ：s e b e w a 兜x 托p 6 i t u r o f v m a a 1 d s s f p e a d 35 2 4 5 o 4 i；2， 5 3 8 8 5 1 3 1 8 9 4 8 5 3 4 r；ee一一i一t=p a t s u c s 2 b s v v v i f f f 一一 d x y z d x y z a z 5 2 2 2 2 5 o 4 2 8 8 5 2 1 2 目 2 7 4 3 5 1 3 7 ， 2 9 5 3 4 r 0i2 e 3 一一 l 8 一6 p = i = = = = = = z p a t s u c s z bw毗盯宝：扑卜扣 女 西南交通大学硕