基于弹性车体模型的高速客车动态响应.pdf

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1、第5卷第2 期2 0 0 5 年 6月 交 通 运 输 工 程 学 报J o u r n a l o f T r a f f i c a n d T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n gVo l.5 No.2 J u n e 2 0 0 5文章编号:1 6 7 1-1 6 3 7(2 0 0 5)0 2-0 0 0 5-0 4基于弹性车体模型的高速客车动态响应邹平波，薛世海2，杨晨辉2 (1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都2.长春轨道客车股份有限公司 城轨车辆开发部，吉林 长春6 1 0 0 3 1;1 3 0 0 6

2、 2)摘要:为了在动力学仿真模型中考虑车体的弹性，使仿真计算结果更接近实际，并为车体轻量化提供理论基础，建立了基于车体弹性和刚性的高速客车非线性动力学模型，分析了车体弹性振动对运行平稳性的影响。通过该车的整车滚振试验台试验，对动态响应的仿真计算结果进行了试验验证。车辆一阶垂向弯曲自 振频率对车辆心盘和车体中心测点的平稳性指标影响曲线表明:在车体中心点，两个模型的平稳性指标差异较大，客车运行速度的提高使车体弹性对车体响应的影响加大，因此对采用铝合金等轻型材料的高速客车车体，设计中必须提高车体的一阶垂向弯曲频率。关键词:高速客车;弹性车体;模态分析;动态响应中图分类号:U 2 7 0.1 1文献标

3、识码:AD y n a mi c r e s p o n s e o f h i g h-s p e e d p a s s e n g e r c a rb a s e d o n f l e x i b l e c a r b o d y m o d e lWu P i n g-b o l，X u e S h i-h a i l，Y a n g C h e n-h u l l(1.S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f T r a c t i o n P o w e r,S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i

4、v e r s i t y,C h e n g d u 6 1 0 0 3 1，C h i n a;2.D e p a r t m e n t o f R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t o f U r b a n R a i l C a r,C h a n g c h u n R a i l C a r C o.L t d.，C h a n g c h u n 1 3 0 0 6 2，C h i n a)A b s t r a c t;I n o r d e r t o a n a l y z e t h e i n f l u e n c

5、 e o f p a s s e n g e r c a r f l e x i b l e v i b r a t i o n o n p a s s e n g e r c a rs t a b i l i t y,t w o n o n l i n e a r d y n a mi c m o d e l s o f h i g h-s p e e d p a s s e n g e r c a r w e r e s e t u p b a s e d o n t h er i g i d m u l t i-b o d y s y s t e m a n d f l e x i b

6、l e m u l t i-b o d y s y s t e m r e s p e c t i v e l y,t h e i n f l u e n c e o f c a r b o d ye l a s t i c v i b r a t i o n o n i t s r i d e c o m f o r t w a s a n a l y z e d.T h e r o l l e r r i g d y n a m i c t e s t f o r p a s s e n g e r c a rw a s i m p l e m e n t e d，t h e n u me

7、 r i c a l s i m u l a t i o n r e s u l t s f o r p a s s e n g e r c a r d y n a m i c r e s p o n s e w e r ev a l i d a t e d.T h e s i mu l a t i o n a n d t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e s t a b i l i t y i n d e x d i f f e r e n c e o f t h e m o d e l s i nc a r b o d y c e n t

8、e r i s o b v i o u s，t h e h i g h e r t h e s p e e d i s，t h e l a r g e r t h e d i f f e r e n c e i s，t h e f l e x i b l e c a rb o d y m o d e l w i l l i n c r e a s e t h e r i d e i n d e x o f c a r b o d y.F o r t h e h i g h-s p e e d p a s s e n g e r c a r b o d y m a d eo f a l u m

9、i n u m a l l o y,t h e f i r s t v e r t i c a l f r e q u e n c y o f c a r b o d y mu s t b e i m p r o v e.1 7 f i g s,6 r e f s.K e y w o r d s:h i g h-s p e e d p a s s e n g e r c a r;f l e x i b l e c a r b o d y;mo d a l a n a l y s i s;d y n a m i c r e s p o n s eA u t h o r r e s u m e:W

10、u P i n g-b o(1 9 6 8-)，m a l e,P h D,r e s e a r c h e r,8 6-2 8-8 7 6 0 0 8 8 2，w u p i n g b o 2 6 3.n e t.足此0 引言 高速列车车体的轻量化能够有效降低轮轨之间的作用力，减少制造费用，节约能源。为实现车体轻量化目标，铝合金或不锈钢等材料被广泛应用到车体制造中。但车体轻量化往往会导致车体刚度不，引起车体振动恶化，旅客乘座舒适度下降。因，系统研究车体轻量化的合理方案，使其负面作用收稿日 期:2 0 0 5-0 3-2 0基金项目:四川省青年科技基金项目(0 4 Z Q 0 2 6-0

11、0 5);教育部重点项目(0 1 1 5 0);国家自 然科学基金项目(5 0 3 7 5 1 2 8)作者简介:邹平波(1 9 6 8-)，男，浙江奉化人，西南交通大学研究员，博士，从事车辆系统动力学研究.交通运输工程学报2 0 0 5年量;A为局部坐标系相对于整体坐标系原点的方向余弦矩阵;s，为第i 个节点未变形前在局部坐标系上的位置;9 r 为第i 个节点的模态振形分量;q 为模态振幅向量。用欧拉角代表方向，运动的总坐标为x(x,y，z)W(O0,0)(q j)(3)式中:X,y,z 为局部坐标系相对于整体坐标系的位置;0,0,p 为局部坐标系相对整体坐标系原点的欧拉角;q，为第m阶模态

12、振幅的振型分量。同样可以得到第 i 个节点的速度，并由此得到动能和势能的表达式、声，.4亡2、了吐、降低，成为众多学者研究的热点川。目 前大量的车辆系统动力学研究中都将车体作为刚体处理，车辆系统模型是集中质量一 弹簧一 阻尼系统模型。事实上，车体本身的弹性振动对车辆运行品质是有直接的影响，随着车辆定距的增大，特别是车辆运行速度的提高，车体的弹性振动更不容忽视。因此，本文以某高速客车为计算对象，通过建立基于车体弹性和刚性的非线性动力学模,V 2-6 1，利用模态试验所测出的整体一阶垂直弯曲、一阶横向弯曲和一阶扭转的主振频率，对该车的动态响应特性进行预测，就不同的车体模态对动态响应的影响，作了详细

13、分析，以论证轻量化方案的可行性。通过该动车的整车滚振试验台试验，对动态响应的仿真结果，进行了试验验证。1 考虑车体弹性的系统动力学模型 在建立多刚体系统动力学方程时，大多选用广义坐标，用刚体 i 的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标 q j=仁 X,y，Z,lp,0,(p T 叮=q T，,q n T即每个刚体用 6 个广义坐标描述。由于采用了不独立的广义坐标，系统动力学方程是最大数目但却高度稀疏藕合的微分代数方程，适合用稀疏矩阵的方法高效求解。应用拉格朗日待定乘子法，多刚体系统的动力学方程为 3 T 二A=合 4 T M(4)告 4 T K(4)旦(d T)一(i t、d q/

14、,p(q,t)=0些、a/刁 9+诃+呵”一 Q=0(1)e(q，吞，t)=0一之一几T=1二.，下 干L n I乙，v,v+C O I w 式中:T 为系统的能量;ip(q,t)=0 为完整约束方程;e(q,吞,t)=o 为非完整约束方程;q 为广义坐标矩阵;Q为广义力矩阵;n为对应于完整约束的拉氏乘子列阵;井为对应于非完整约束的拉氏乘子列阵;M为质量列阵;，为广义速度列阵;I 为转动惯量列阵;。为广义角速度列阵。建立考虑带柔体的系统动力学方程原理是将柔体看成有限元模型节点的集合，相对于局部坐标系有小的线性变形，而对局部坐标系作大的非线性整体平动和转动。每个节点的线性局部运动近视为振型和振型

15、向量的线性叠加川。第 i 个节点位置为 r;=x+A(s;+op i9)(2)式中:x为从整体坐标原点到局部坐标系的位置矢代人拉格朗日方程，就可获得柔性体方程式 1 d M，._ _，.，.r d 梦7。，。、M4+M 4 一令 1-4 I 4+K4+去 惫=Q(6)2匕 d，”一”沙 g 匕 d 右 J、一 式中:K为柔性体的模态刚度，刚度的变化只取决于变形，因此刚体的平动和转动对变形能和能量损失没有影响;几为重力;W和Q为外部施加载荷。在建立车体弹性的客车系统动力学模型时，假设仅考虑车体的垂向、横向和扭转 3 个振型的前一阶整体模态。由于模态计算的复杂性，动力学建模仅考虑钢结构的模态;而轮

16、对、构架、摇枕等，由于其弹性变形相对较小，仍考虑为刚性。建模时考虑将客车横向运动和垂向运动相藕合。整个模型包括3 1 个自由度，模型中考虑的非线性主要是非线性的轮轨接触几何关系、非线性轮轨作用力和非线性的悬挂力，见图 t o 图 1 考虑车体弹性的客车非线性动力学模型F i g.1 N o n l i n e a r d y n a m i c s m o d e l o f p a s s e n g e r c a r w i t h f l e x i b l e c a r b o d y2 系统动态响应的仿真 高速客车的仿真计算，采用美国5 级线路谱，轨道具有4 个方向的不平顺。计算

17、认为轨道的随机输第 2 期邹平波，等:基于弹性车体模型的高速客车动态响应自振频率的变化对客车响应的平稳性指标的影响。图6 -9给出了一阶垂向弯曲的自振频率在5 -1 1 H z 范围内变化对心盘位和车体中心位 2 个测点的平稳性指标的影响曲线。由图可见，一阶垂向弯曲的自 振频率对车体中心位的横向和垂向平稳性影响比较明显，运行速度越高，其影响越大。图1 0.1 3给出了一阶扭转的自 振频率在 1 5 -2 1 H z 范围内变化对心盘位和车体中心位 2 个测点的平稳性指标的影响曲线。由图可见，一阶扭转的自 振频率对车体中心位的横向平稳性影响比较明显，运行速度越高，其影响越大。-5 Hz-7 Hz

18、-9 Hz-1 1 Hz1.91.81.71.61.s-5 Hz辑职塑渺阵181716辑积塑浑阵 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0车辆运行速A U(k m h-)一阶垂向弯曲对心盘位垂向平稳性的影响41071图一阶垂向弯曲对心盘位横向平稳性的影响钻61图入是各态历经的，因此可以用一段有限长的时间历程曲线来模拟实际线路上的运行情况。为了较为完全地反映客车的实际动态响应，计算时先让客车在一段无激扰直线轨道上运行，然后在一段足够长的不平顺轨道上运行。车体加速度响应数据的采样从运行一段距离后开始进行，数据的采样、处理和分析方法及平稳性指标计算方法是根据国标 G B 5 5 9 9

19、-8 5“铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范”进行。除G B 5 5 9 9-8 5 规定的采样点，计算还选取车体中央地板面位置进行平稳性指标计算，以充分考虑车体弹性对车体中央位置的影响。计算的速度范围选为 4 0-2 3 0 k m/h o 本文首先对基于弹性和刚性模型在心盘位和车体中心位的平稳性指标计算结果进行对比分析。由图2,3 可见，2 种模型下，在心盘位的横向平稳性指标几乎没有差异，而弹性模型下的垂向平稳性指标却略大于刚性模型。由图4,5 可见，弹性模型下在心盘位的横向平稳性指标要大于刚性模型的，随着速度的提高，差异有所增大，2 种模型的垂向平稳性差异最为明显，随着速度的提高，这种

20、差异随之增大。5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0车辆运行速M 1(k m h-)F ig.6 I n f l u e n c e o f t h e f i r s t v e r t i c a l b e n d i n g m o d e o nl a t e r a l i n d i c e s o f b o g i e c e n t e rF i g.7 I n f l u e n c e o f t h e f i r s t v e r t i c a l b e n d i n g m o d e o nv e r t i c a l i n d i

21、c e s o f b o g i e c e n t e r型型模模体体车车性性刚弹型型模模体体车车性性刚弹 R72.8 f-5 H z-7 Hz-+-9 Hz-1 1 Hz5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0助JJ讲|月哪|从0，2，IJ.1琢把划渺十1.61.51.4 J “，1.4 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 0车辆运行速A/(k m h-)5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0车辆运行速A/(k m h-)图2 心盘位横向 平稳性指标F i g.2 L a t e r a l r i d e i n d i c e s

22、 o nc a r b o d y f l o o r o f b o g i e c e n t e r 图3 心盘位垂向 平稳性指标F i g.3 Ve r t i c a l r i d e i n d i c e s o nc a r b o d y f l o o r o f b o g i e c e n t e r始职划渺阵OR月产6戈 辑职塑担卜雌积塑担卜0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0车辆运行速度/(k m h-)车辆运行速脚(k m h-)图 8 一阶垂向弯曲对车体 位横向平稳性的影响F i g.8 I n f l u e n c e o f t

23、h e f i r s tv e rt i c a l b e n d i n g m o d e o n l a t e r a l i n d i c e s o f c a r b o d y c e n t e r图9 一阶垂向弯曲对车体 位垂向平稳性的影响F i g.9 I n f l u e n c e o f t h e f i r s tv e rt i c a l b e n d i n g m o d e o n v e rt i c a l i n d i c e s o f c a r b o d y c e n t e r-.-1 5 Hz5 0 1 0 0 1 5

24、0 2 0 0 2 5 0矢卫战叮习件J研|外|砂。，1八勺，j伟j，乙11，.且，几.，.始把划渺十辑积划禅卜-1 5 Hz斯|J71.|以月|51.|砂.0转积塑渺除5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 01 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0伪|以叮|川J411壮0，二，.Ll.11.且，.L 雌卑划担斗车辆运行速度/(k m h-勺车辆运行速度(k m.h-场 图4 车体中央位横向图5 车体中央位垂向 平稳性指标平稳性指标 F i g.4 L a t e r a l r i d e i n d i c e s o n F i g.5 V e r t

25、 i c a l r i d e i n d i c e s o n f l o o r o f c a r b o d y c e n t e r f l o o r o f c a r b o d y c e n t e r 由此可见，车体弹性对客车响应的影响是不容忽视的，随着运行速度的提高，这种影响更趋明显。为了深人分析这种影响，本文分别计算了车体弹性的车体一阶垂向弯曲的自振频率和车体一阶扭转的5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 车辆运行速A/(k m h-)图 1 0 一阶扭转对心盘位 横向平稳性的影响F i g.1 0 I n f l u e n c e o f

26、t h e f i r s t t o r s i o n mo d e o n l a t e r a l i n d i c e s o f b o g i e c e n t e r 车辆运行速f-/(k m h )图 1 1 一阶扭转对心盘位垂向平稳性的影响F i g.1 1 I n f l u e n c e o f t h e f i r s tt o r s i o n mo d e o n v e r t i c a li n d i c e s o f b o g i e c e n t e r交通运输工程学报2 0 0 5年-1 5 Hz-1 7 Hz-1 9 Hz-21

27、Hz心盘位置测点车体中央位置钡 L A I2.1!:心盘位置测点车体中央位置 0夕，J辑积刘担卜211n户n，只，了 .口:几乙，t主，1辑把划担斗奸卜创1心飞八l孔0气，1山.1，.人，1 辑积塑担卜辑职塑担阵5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 05 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0断tJ6lseJI勺1孔0车辆运行速脚(k m h-)车辆运行速度/(k m r)1.6 1 0 0 1 4 0 1 8 0 2 2 0 车辆试验速度/(k m h-)图 1 2 一阶扭转对车体位图1 3 一阶扭转对车体位图 1 6横向平稳性的影响垂向平稳性的影响F i g.1

28、2 I n f l u e n c e o f t h e f i r s tt o r s i o n mo d e o n l a t e r a lF i g.1 3 I n f l u e n c e o f t h e f i r s t t o r s i o n mo d e o n v e r t i c a lF i g.1 6 r i d e i 方案 2 横向平稳性指标结果对比 Te s t r e s u l t s o f l a t e r a ln d i c e s o f s c h e me t wo 1.5 i -一.-种 曰 1 0 0 1 4 0 1

29、8 0 2 2 0 车辆试验速勿(k m h-)图 1 7 方案 2 垂向平稳性 指标结果对比F i g.1 7 T e s t r e s u l t s o f v e r t i c a l r i d e i n d i c e s o f s c h e me t woi n d i c e s o f c a r b o d y c e n t e r i n d i c e s o f c a r b o d y c e n t e r3 系统动态响应的试验分析 为论证理论分析结果的可靠性，在该高速客车的整车滚动振动试验 台试验 时，除心盘位按G B 5 5 9 9-8 5 的要

30、求安装有横向和垂向传感器以外，在车体中心位也安装了横向和垂向传感器，以期对2 个测点的测试结果进行对比。滚振试验速度为1 0 0 -2 1 0 k m/h。试验采集了2 个方案的2 组数据。从方案1 的心盘位测点和车体中心位测点的横向平稳性测试结果看，低速时，车体中心的平稳性指标要略小于心盘位，但在速度大于1 7 0 k m/h 时，车体中心的平稳性指标就超过心盘位的平稳性指标，见图1 4。由图1 5 可见，在所测试速度范围内，车体中心的垂向平稳性指标要大于心盘位的垂向平稳性指标。，心盘位置测点 车体中央位置钡 崛2.22.1 心盘位置测点 车体中央位置赢nQOO7U2.1.，1.1尊积塑胆卜

31、内艺，八UO了00，了2，气乙111 辑积划睡阵 1.1 0 0 一 14 0 1 8 0 一 2 2 0 1 1 0 0 一 1 4 0 1 8 0 一 2 2 0 车辆试验速1t/(k m h-)车辆试验速A/(k m h-)图 1 4 方案 1 横向平稳性图 1 5 方案 1 垂向平稳性 指标结果对比指标结果对比 F i g.1 4 T e s t r e s u l t s o f l a t e r a l F i g.1 5 T e s t r e s u l t s o f v e r t i c a l r i d e i n d i c e s o f s c h e me

32、o n e r i d e i n d i c e s o f s c h e me o n e 从方案 2的测试结果看，在所测试速度范围内，车体中心的横向平稳性指标要小于心盘位的平稳性指标，但车体中心的垂向平稳性指标要大于心盘位的垂向平稳性指标，见图 1 6,1 7。由此 2 组试验结果可以认为，车体中央与心盘位置的差异不容忽视。4 结语 (1)考虑车体弹性的动力学模型，使动力学仿真计算能更好地反映车辆系统动力响应和运行品质，也为车体轻量化提供了一定的理论依据。(2)弹性车体模型和刚性车体模型在心盘位的平稳性指标差异较小，在车体中心的差异较大，运行速度的提高使这一差异明显加大，考虑车体的弹性

33、对高速列车显得十分必要。对采用铝合金等材料的高速客车车体，考察中间点的平稳性指标十分必要。(3)过低车体一阶垂向弯曲频率使客车垂向和横向平稳性指标迅速恶化，在车体轻量化设计中应设法提高车体一阶垂向弯曲频率。参 考 文 献:Re f e r e n c e s:1 F a n t i G,B e r t i G,V i a n e l l o A.D y n a m i c a n a l y s i s o f r a i l v e h i c l e s b y m e a n s o f m o d e l s o f e q u iv a l e n t f i n i t e e l

34、 e m e n t s J .I n g e g n e r ia F e r r o v i a r a,1 9 9 8,4 3(5):2 5 7-2 6 3.2 李世亮，王卫东.考虑车体弹性的铰接式高速车辆模型及响应 计算分析 J .中国铁道科学，1 9 9 7,1 8(6):7 7-8 6.L i S h i-l i a n g,Wa n g We i-d o n g.R e s p o n d a n a l y s i s a n d m o d e l l i n g o f t h e a r t i c u l a t e d c a r b o d y c o n s i

35、d e r i n g t h e e f f e c t o f e l a s t i c i t y f o r h i g h s p e e d t r a i n J .C h i n a R a i l w a y S c i e n c e,1 9 9 7,1 8(6):7 7-8 6.(i n C h i n e s e)3 仲听，杨汝清.多体系统动力学模型理论与应用 J .机械科 学与技术，2 0 0 2,2 1(3):3 8 7-3 8 9.Z h o n g X i n,Y a n g R u-g i n g.D y n a m i c s m o d e l i n

36、g o f m u l t i-f l e x i b l e s y s t e m J .M e c h a n i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 0 2,2 1(3):3 8 7-3 8 9.(i n C h i n e s e)4 G o n c a l v e s J,A m b r o s i o J.C o m p l e x f l e x i b l e mu l t i b o d y s y s t e m s w i t h a p p l i c a t i o n t o v e h i c l

37、e d y n a m i c s J .Mu l t i b o d y S y s t e m D y-n a mi c s,2 0 0 1,6(2):1 6 2-1 8 2.5 S c h w a b A L.D y n a m ic s o f fl e x i b l e m u l t ib o d y s y s t e m s D.D e l f t:D e l f t U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2 0 0 2.6 M e s s a c A.F l e x ib l e-b o d y d y n a m i c s m o d e l i n g o f a v e h i c l e m o v-i n g o n t h e r a i l s o f a s t r u c t u r e J .J o u r n a l o f G u i d a n c e,C o n t r o l a n d D y n a mi c s,1 9 9 6,1 9(3):5 4 0-5 4 8.