车辆系统的固有特性和结构动力响应的研究调研报告.doc

大连交通大学2013 届本科生毕业设计（论文）实习（调研）报告调研报告一、课题的来源及意义铁路是重要的国民经济基础设施，是国民经济的大动脉和发展的基础，在综合运输体系中起重要的作用。而铁路更是保证我国客运通常的重要运输方式之一。20世纪90年代以来，随着世界铁路以电气化和内燃化为代表的牵引动力现代化的普遍实现，以及以客运高速、货运重载为特征的铁路新时代的来临，铁路的发展取得长足进步。同时随着铁路车辆向高速、重载、轻量化方向发展，对机车车辆的设计提出了许多新要求，其中振动产生的疲劳、噪声问题日益严重。振动问题不仅关系到高速列车运行的安全性，又关系到列车运行时的乘坐舒适度，而结构的固有特性直接影响振动和噪声的品质。因此，对车辆系统的固有特性和结构动力响应的研究越来越迫切。铁路机车车辆的各种结构及材料的研究也成为了热点。机械结构的固有振动特性称为模态。本课题针对铁路车辆的铝合金车体结构进行模态分析。通过对模态的分析及研究 ，预测车体在某一频域内各阶模态振型及其频率 ，以评定其动态特性能否满足设计要求 ，进而为不锈钢车体结构的合理设计提供依据。车体模态分析主要是预测无阻尼结构的自振频率和振型。一方面可以用来预测共振，另一方面可以为进一步的动力学分析做准备。二、模态分析理论简介机械结构的固有振动特性称为模态(mode），每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。以振动理论为基础、以这些模态参数为目标的分析方法，称为模态分析。更确切地说，模态分析是研究系统物理参数模型、模态参数模型和非参数模型的关系，并通过一定手段确定这些系统模型的理论及其应用的门学科。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性，振动结构模态分析仅是指对一般结构所做的模态分析。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。结构的模态分析越来越受到重视。按照振动结构非线性程度大小，可将系统简化为线件系统和非线性系统。因而，所进行的系统识别也有线性系统识别和非线性系统识别之分。以往的模态分析均限于线性系统即线性模态分析。近几年来不断有人提出并研究非线性模态分析的问题，但远远未达到线性模态分析的成熟地步。由于线性模态分析在处理非线性系统时存在较大误差，相信基于作线性振动理论的非线性模态分析将会越来越得到重视。根据研究模态分析的手段和方法不同，模态分析分为理论模态分析和实验模态分析。理论模态分析又称模态分析的理论过程，是指以线性振动理论为基础，研究激励、系统、响应三者的关系。实验模态分析又称模态分析的实验过程，是理论模态分析的逆过程。首先，实验测得激励和响应的时间历程，运用数字信号处理技术求得频响函数(传递函数）或脉冲响应函数，得到系统的非参数模型；其次，运用参数识别方法，求得系统模态参数；最后，如果有必要，进一步确定系统的物理参数。因此，实验模态分析是综合运用线性振动理论、动态测试技术、数字信号处理和参数识别等手段，进行系统识别的过程。计算模态分析实际上是一种理论建模过程，主要是运用有限元法对振动结构进行离散建立系统特征值问题的数学模型，用各种近似方法求解系统特征值和特征矢量。由于阻尼难以准确处理，因此通常均不考虑小阻尼系统的阻尼，解得的特征值和特征矢量即系统的固有频率和固有振型矢量。模态参数识别是实验模态分析的核心。模态参数识别已发展有多种成熟的方法，最常用的方法是基于最小二乘法的曲线拟合法。其含义是，根据理论模态分析选择适当的数学模型，使测得的实验模型与数学模型之差最小。按照不同的非参数模型，模态参数识别分为频域模态参数识别和时域模态参数识别：以频响函数(传递函数）为基础的参数识别称为频域参数识别；以时域信号(脉冲响应函数或自由振动响应）为基础的参数识别称为时域参数识别。频域法已发展得相当成熟、实用。由于时域法所用设备简单，尤其是可只根据自由响应而无需激励就可进行参数识别而受到普遍重视。在识别除振型外的其他模态参数时，按照使用响应信号的数目分为局部识别和整体识别两种。按照使用激励和响应的数目分为单入单出(SISO）识别法、单入多出(SIMO）识别法和多入多出(MIMO）识别法。SISO属于局部识别，SIMO和MIMO属于整体识别。在SISO频域模态参数识别中，按照模态密集程度不同，可分为单模态识别和多模态识别。前者将待识别的各阶模态看作与其他模态独立的单自由度系统，适于阻尼较小、模态较分散的情形；后者将待识别的几阶模态看作耦合的，并考虑拟合频段以外的模态影响。对于阻尼较大、模态较密集的情况，必须用多模态参数识别法。在模态分析中，阻尼是一个较难处理的问题。根据结构性质不同，常用到粘性比例阻尼、一般粘性阻尼、结构比例阻尼与结构阻尼四种阻尼模型。在不同阻尼模型下，振动系统模态参数的性质不同。根据模态矢量是实矢量还是复矢量，振动系统分为实模态系统和复模态系统。无阻尼和比例阻尼系统属于实模态系统，而结构阻尼和一般粘性阻尼系统属于复模态系统。因此，对应系统的模态分析有实模态分析和复模态分析两种。经过半个多世纪的发展，模态分析已经成为振动工程中一个重要的分支。早在20世纪四五十年代，在航空工业中就采用共振实验确定系统的固有频率。60年代，发展了多点单相正弦激振、正弦多频单点激励，通过调力调频分离模态，制造出商用模拟式频响函数分析仪。随着数字式动态测试技术和计算机技术的飞速发展，使得以单入单出及单入多出为基础识别方式的模态分析技术普及到各个工业领域，模态分析得到快速发展日趋成熟，商用数字分析仪及软件大量出现。80年代后期，主要是多入多出随机微振技术和识别技术得到发展。80年代中期至90年代，模态分析在各个工程领域得到普及和深层次应用，在结构性能评价、结构动态修改和动态设计、故障诊断和状态监测以及声控分析等方面的研究异常活跃，尤其是基于有限单元法FEM（Finite Element Method）的计算模态分析法、试验模态分析法EMA（Experimental Modal Analysis）和最优控制理论的结构动态修改和动态设计，取得了丰硕的研究成果。目前，模态分析技术在我国已成为一门重要工程技术，而不仅仅是研究单位从事研究的理论课题。三、基于有限元单元法的计算模态分析法 n个自由度比例阻尼系统的运动微分方程为: 式中，为系统的nn阶质量矩阵；为系统的nn阶阻尼矩阵；为系统的nn阶刚度矩阵;、分别为系统的位移、速度和加速度响应列向量，均为n阶;为n阶动态载荷列向量.在求解系统固有频率和固有振型时，可不考虑阻尼的影响，则系统的自由振动方程为: 它的解可以假设为 式中，是n阶向量，是向量的振动频率，是时间变量， 是由初始条件确定的时间常数.将式(3）代入式(2），就成为求广义特征值的问题: 解以上方程可以确定和，结果得到n个特征解(，），(，），.，(，），其中特征值，.，代表系统的n个固有频率，并有0.，特征向量，.，代表系统的n个固有振型。 结构振型展示了结构固有振动形态。通过分析振型，易于找出结构薄弱环节，判别产生振动的原因。因此，振型分析有利于在车体设计阶段预测其动态特性，为车体结构优化和疲劳强度校核提供理论依据 。在一般的有限元分析中，系统的自由度很多，但在研究系统的响应时，往往只需要了解少数较低的特征值及相应的特征向量，因此在有限元分析中，发展了一些适应上述特点的效率较高的解法，目前应用较广泛的是子空间迭代法、Ritz向量直接叠加法和Lanczos向量直接叠加法.子空间迭代法是求解大型矩阵特征值问题的最常用的有效方法之一，适合于求解部分特征解，广泛应用于结构动力学的有限元分析中。为保证新设计机车车体在运行中具有良好的车体结构振动特性，需要根据该机车初步设计的车体结构，建立详细的车体的有限元力学模型。机车车体本身的刚度并不大，其前六阶模态能够影响机车的动力学性能，在建立有限元力学模型时考虑弹性模态的影响，可以设计出良好的振动特性。四、结构动力学特性分析的试验模态分析法试验模态分析是以振动理论、信号处理技术和振动测量方法为基础，从所测得的输入、输出信息中去辨识结构的模态参数(主要包含振动频率、阻尼系数、振型等）。近几年来，试验模态分析技术发展很快，各种测试手段日益更新，模态参数识别软件也层出不穷，这为获得较为准确的结构模态参数带来极大方便。在进行结构件模态试验时，首先要确定被测物体的固定方式。固定方式一般有两种:一种是按照其实际工作状态的方式进行约束，这种固定方式主要是用于结构较大的部件或在振动台上进行试验；二是悬吊式，即采用软绳把被试物品悬吊起来，使其处于自由状态下进行试验。结构处于自由状态具有最多的自由度，这样得到的模态参数便于与其他部件一起进行整体结构的综合模态分析。激振方法的选择包括两方面内容:一是采用什么样的激振信号；二是采用单点激振(SIMO）还是多点激振( MIMO）。这其中的关键在于激振源是否能够提供足够的能量，把需要的频段中的模态全部激发出来。激励信号可采用随机信号、脉冲信号、正弦扫频信号等。用锤击法提供脉冲信号的优点是设备简单，不需要精心设计安装激振器的夹具，便于现场测试，由于激振器不与被试物品相连，不影响被试物品的动态特性；同时，激振点可以灵活选取，敲击力的方向可以任意；测试精度能满足一定要求，且高于随机激励的测试精度。缺点是激振力频率范围不易控制，仅适合于低频，对于高频模态则不易激出来；由于振动能量分散，从而信噪比小另外锤击有时可能连击和过载，造成结构不是单次激励和进入非线性范围。这需要试验人员具有较丰富的经验以及在试验之前进行多次的测试，控制好锤击力度。模态分析的频域法有两种:单点激振法和多点激振法。多点激振法需要昂贵的多点激振设备，试验过程复杂，但计算比较简单；单点激振法所需设备简单，试验也较容易，但计算方法要复杂些。试验频段的选择应考虑机车车体在运行条件下可能的激振频率范围。通常认为，远离振源频带的模态对结构的实际振动影响(贡献量）较小。事实上，高频模态贡献的大小，除与激振频率有关外，还与激振力的分布状况有关。此外，为使整体模态具有更高的精确度，部件模态试验的频段也应适当放宽，以求得较多的模态阶次。测点布置的原则是:测点应布置在结构支点、梁连接点和刚度变化较显著的点上；且尽可能布点均匀，左右对称。测点布置、测点数量的选择还应考虑到以下两方面的要求。一是能够明确显示在试验频段内所有模态的基本特征及互相间的区别；保证所关心的结构点(如与其它结构的连接点）都在所选的测量点之中。二是为提高信噪比，测点不应选在各阶振型节点附近。试验采用压电式加速度传感器测量各测点在垂直于其平面方向上的振动加速度响应，现场采集信号，实时处理得到频响函数。测振时加速度计安装正确与否对测量结果的正确性有很大的影响。安装方式多种多样，把测点表面清除干净后用502胶把传感器粘结在金属的表面，可确保传感器安装定位可靠、方向准确。另外也可以利用磁性吸盘的方式把传感器吸附在金属结构的表面( 此时要注意对吸附的面进行清理，保证吸附牢靠）。五、研究目标和内容 本课题针对铝合金车体的模态进行分析。车体模态分析主要是预测无阻尼结构的自振频率和振型，一方面可以用来预测共振，另一方面可以为进一步的动力学分析做准备。对于无阻尼结构的自振频率和振型的分析主要取决于：（1）结构的质量与分布；（2）结构的刚度。通过改变这两项参数并对一些结构模拟单元形式的改变，来查看多项参数或单元类型对结构模态的影响，同时进行定性分析，给出相应结论。6、 研究方法和手段本课题现有多种铝合金车体结构的各零件图及三维几何模型；基于复杂材料的有限元法基本原理；有相关的参考文献和硕士、博士论文作为参考。应用现有的有限元前处理软件 HyperMesh 和分析软件 ANSYS对主要部件进行二维及三维建模划分网格。七、进度安排 时间工作安排第1周第2周查阅铝合金车体模态相关的资料（包括图纸），掌握该连接结构的基本要求、用途以及工作状况，完成开题报告第3周查找课题相关外文资料并完成外文翻译第4周第5周通过相关教材、帮助文件学习软件，能够熟练使用相关软件：HyperMesh、ANSYS，能够做一些网格划分及有限元分析的小例子第6周第8周应用hypermesh软件对主要部件进行二维及三维建模划分网格第9周第11周完成主要部件的模态有限元分析第12周第13周整理计算内容，编写毕业设计论文，要求符合规范第14周毕业设计答辩 八、参考文献1 牛天兰铁路客车车体“虚拟模态试验”技术研究.大连交通大学机械工程，2007. 2 FantiG，BertiG，Vianello.A.Dynamic analysis of rail vehicles by means of models of equivalent finite element J. 1998，43(5）:257-263.3 曹树谦，张文德，萧龙翔.振动结构模态分