高速动车组整备及载人状态车体模态分析

孟林林，贾尚帅，彭垒

(中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063000)

近年来，随着我国高速铁路运行速度及服役时间的提高，列车振动加剧问题日益突出，这不仅会缩短列车的服役寿命，还会影响乘客乘坐舒适度甚至还可能危及乘客的人身安全[1].车体是整个列车构成中最为复杂和重要的大型结构之一，承载着列车的全部静载荷和服役运行中的动载荷，车体结构模态对整车的动力学性能和乘坐舒适性有很大的影响[2].车体模态频率是车体最重要的动力学参数，而模态分析是获得该动力学参数最普遍的一种方法.近年来，众多学者在车体模态分析方面，展开了广泛的研究.王剑等[3]研究了车下设备吊挂参数对高速动车组车体模态的影响.王铁成等[4]研究了车下设备安装刚度对动车组车体模态的影响.赵士忠等[5]研究了整备状态下的轨道交通车辆车体模态，并将人体模型简化为单自由度的弹簧质量单元，然后进行了载人整备状态下的车体模态分析.黄晓婷等[6]开展了铁道客车乘客的模型建立与仿真的研究，并对所建的乘客仿真模型进行了舒适度分析.近年来，有关车体模态的分析已开展了大量的研究，但对于车体整备载人模态计算分析尤其是人体模型建立方面的研究相对较少.

因此，本文以某型号高速动车组中间车为研究对象.首先将乘客分别简化为多质量块-弹簧-阻尼模型和单质量块模型，采用Hypermesh软件建立了某高速动车组中间车载人状态的有限元模型.然后，将建立好的有限元模型导入ABAQUS软件，分别计算了整备未载人状态、载人(多质量块-弹簧-阻尼模型)状态和载人(单质量块模型)状态车体的振动模态.最后分析了人体模型对车体模态的影响.

1 有限元模型建立

1.1 车体结构有限元模型

以某型号高速动车组中间车为研究对象，车体全长为25 m，宽为3.36 m，承载结构(以下称白车体)由大型中空铝合金挤压型材焊接而成，铝合金材质主要为EN AW-6005A和EN AW-6082.采用Hypermesh软件建立白车体有限元模型，弹性模量为70 GPa，泊松比为0.33，密度为2 750 kg/m3.白车体有限元模型质量为10.87 t，与实测值11.02 t相差较小.

1.2 整备状态车体有限元模型

采用Hypermesh软件建立整备状态车体有限元模型，见图1.壳单元数量为817 532，质量点单元数量为2 509 119.有限元模型质量为36.83 t，与实测质量36.98 t相差较小.

图1中，门窗采用壳单元，门窗与其边框采用橡胶单元进行连接；大型车下吊挂设备采用在实际重心位置设置Mass质量点，并通过属性为三向动刚度的弹簧单元耦合连接于车体实际安装座位置的方法进行模拟.其他附属设备通过在铝合金车体实际安装位置设置质量点的形式进行模拟.

依据TB/T 2843—2015《机车车辆用橡胶弹性元件通用技术条件》，分别对车下大型吊挂设备的减振器进行动刚度试验.动刚度试验在电液伺服疲劳实验机上完成，见图2.

减振器三向加载方式如下：

(1)Z方向(垂向)：力控制加载方式，施加简谐动载荷，频率取5 Hz、6 Hz、8 Hz、10 Hz、12 Hz，初始预载荷值等于车下吊挂位置安装位置处支反力值，静态动载荷幅值动载荷为0.2倍预加载荷；

图2 减振器动刚度试验

(2)X方向(纵向)：施加垂向预加位移5 mm，力控制加载方式，施加简谐动载荷，频率取5 Hz、6 Hz、8 Hz、10 Hz、12 Hz，初始预加静态动载荷为0，动载荷幅值与垂向相同；

(3)Y方向(横向)：施加垂向预加位移5 mm，力控制加载方式，施加简谐动载荷，频率取5 Hz、6 Hz、8 Hz、10 Hz、12 Hz，初始预加静态动载荷为0，动载荷幅值与垂向相同.

分别对每个方向、每个频率工况进行50次循环，之后提取5次稳定循环对应的载荷——变形数据，计算对应的动刚度值，并取平均值作为减振器的动刚度值.车下吊挂设备布置见图3，各设备所用减振器的动刚度详细参数见表1、表2.

图3 车下设备布置图

表1 大型车下吊挂设备参数(动刚度)

表2 牵引变流器吊挂参数(动刚度)

其中，牵引变流器采用V形减振器，其他设备采用柱形减振器，减振器结构示意图见图4.

(a) 柱形减振器

1.3 载人状态车体有限元模型

本研究中人体模型及各部分连接示意图见图5[7]，人体模型共分为六个部分：头、脖子、上身、下身、臀部、腿，单人总重量为80 kg.其中座椅和客室地板之间、座椅和臀部之间采用刚性连接，其余各部分之间为三向弹簧阻尼连接.

人体模型有限元模型见图6，各部分的质量、转动惯量及他们之间的连接刚度和阻尼用文献[7]中的方法进行比例换算，如表3和表4所示.此外，为了对比分析不同人体模型对车体模态结果的影响，还将人体模型简化为单质量块模型平铺在车体地板上，人体模型质量共7.2 t.

图5 人体模型及各部分连接示意图

图6 人体模型有限元模型

表3 人体模型质量、重心、转动惯量参数表[7]

表4 人体模型刚度属性表[7]

2 车体模态结果

将在Hypermesh中建立好的有限元模型导入ABAQUS软件，分别计算了整备未载人状态、载人(多质量块-弹簧-阻尼模型)状态和载人(单质量块模型)状态车体的振动模态.

2.1 整备状态

整备状态车体的一阶菱形、呼吸、扭转和垂弯四种典型振动模态云图及对应频率见图7.

(a) 一阶菱形，8.44 Hz

仿真与试验结果对比见表5.阶模态频率误差均在±10%以内，表明仿真计算模型较为合理.

表5 整备状态模态频率的仿真值和试验值

2.2 整备载人状态

整备载人状态(多质量块-弹簧-阻尼模型)和整备载人状态(单质量块模型)车体的四种典型振动模态对应频率见表6.

表6 整备载人状态模态频率 Hz

结果表明：两种整备载人状态车体的模态频率均低于未载人整备状态.采用单质量块模型对人体模型进行建模时，车体的四种典型模态频率较未载人状态降低幅度大，尤其是一阶垂弯频率，降低幅度达0.92 Hz；而当采用多质量块-弹簧-阻尼模型对人体进行简化建模时，车体的四种典型模态频率较未载人状态降低幅度小，对于最为重要的一阶垂弯频率降低幅度仅为0.15 Hz.单质量块模型相当于将人体模型直接与车体地板刚接，其刚度不变，但质量大幅度增加，振动能量全部传递给车体地板，因此载人车体固有频率大幅度降低.而将乘客考虑为多质量块-弹簧-阻尼模型，车体与人体模型之间、人体各部分之间的弹簧和阻尼一定程度上会吸收乘客的部分振动能量，因此车体固有频率相比于单质量块模型而言有所增加.将乘客简化为多质量块-弹簧-阻尼的建模方法更接近于人体模型的实际情况，有利于进行乘客对车体振动模态影响的深入分析.

3 结论

本文建立了某高速动车组中间车未载人及载人状态车体的有限元模型，通过计算获得了整备未载人状态和载人状态车体的振动模态，得出以下结论：

(1)两种整备载人状态车体较整备状态车体的四种典型振动模态频率均有不同程度的降低，采用单质量块模型对人体模型进行建模时，车体的四种典型模态频率较未载人状态降低幅度大，尤其是一阶垂弯频率，降低幅度达0.92 Hz.

(2)当采用多质量块-弹簧-阻尼模型对人体进行简化建模时，车体的四种典型模态频率较未载人状态降低幅度小，对于最为重要的一阶垂弯频率降低幅度仅为0.15 Hz，该种人体模型对车体的模态影响较小，基本可以忽略不计.

(3)将乘客简化为多质量块-弹簧-阻尼的建模方法更接近于人体模型的实际情况，有利于进行乘客对车体振动模态影响的深入分析.