轨道车辆地板组合断面模态试验仿真验证分析

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　　【摘要】结构力学中模态分析是研究系统在频域中动态特性的一种方法，且广泛应用于汽车、航天航空以及轨道车辆等领域。模态分析的目的是确定结构或系统在自由振动过程中的固有频率及模态振型。模态研究目前主要采用试验模态分析和仿真计算模态分析技术。将试验模态和计算模态方法有机结合起来，做到相互验证互为补充，能够大大提高产品研发以及故障验证的精度和效率。本文对比分析了轨道车辆地板组合断面的模态试验仿真数据，分析了试验仿真结果误差的原因，为以后的轨道车辆的振动模态研究提供有力的支撑。
　　【关键词】模态试验 复合材料 模态仿真 边界条件 轨道车辆
　　轨道车辆在行驶过程中受到很多激励，如轮轨激励，气动载荷激励等。车辆的动态特性直接影响其振动舒适性、行驶平稳性、安全性及寿命。轨道车辆地板结构是评价车辆舒适性及平稳性等指标的直接载体，如何能准确的确定其动态特性对整车的性能优化有重大意义。
　　试验模态分析和计算模态分析并非相互独立，有着各自的优势。计算模态方法可以节省大量的试验投入以及试验时间，提供研究效率。试验模态方法作为确定系统模态振型的直接方法，其结果也可以用于修正计算模型。
　　试验模态分析的精度受试验边界条件（系统的约束刚度）、传感器选型及安装方法、外界激励源的施加方式、试验人员的水平等因素影响。本文介绍了轨道车辆地板组合断面模态试验过程，结果分析评价方法，并与计算模态结果进行对比验证，分析了两者结果的误差。
　　一、地板组合断面模态试验
　　（一）试验试件
　　轨道车辆地板组合断面（见图1）主要由客室地板、车体地板及橡胶减振器三部分组成。客室地板为复合材料结构，由地板布、铝型材、果木板、隔音海绵、橡胶等复合而成。车体地板为铝型材结构。
　　（二）试验情况简介
　　此次试验分别测试了客室地板和地板组合断面结构的振动模态。模态测试的采样频率为512Hz，分析频率为256Hz。试验采用电磁激振器作为激励源;数据采集设备使用LMS SCADAS III;加速度传感器选用PCB的T33830。
　　（三）试验方法
　　模态试验采用多点激励多点输出的试验方法，使用移动传感器法对客室地板和地板组合断面对应位置的振動加速度进行了测试。为了避免约束条件对测试结果的影响，此次试验使用刚度很小的弹簧绳将试验件吊挂，模拟结构的自由状态。模态频率识别使用多项式拟合法。
　　二、地板组合断面模态试验仿真验证
　　（一）仿真模型
　　图2为复合材料客室地板有限元仿真模型见图2（左），建模采用壳单元（层合板）+体单元+壳单元（层合板）的方式。图2（右）为地板组合断面有限元仿真模型，其中橡胶减振器采用1维弹簧单元简化，车体铝型材地板使用壳单元。仿真计算模型无额外边界条件，如此计算出来的模态频率振型完全由地板组合断面本身决定，不其他条件影响。
　　（二）客室地板模态试验仿真验证分析
　　计算模型使用ABAOUS求解器和Hyperview后处理软件。考虑到车辆舒适度重点考察的频率范围以及试验测点布置数量，此次模态频率振型分析范围为0Hz-100Hz，表1为试验模态和计算模态结果对比。从表中可以看出，模态试验仿真结果的匹配度较好，模态频率误差小于6%。
　　表2为地板组合断面试验模态和计算模态结果对比。从表中可以看出，在OHz-5OHz范围内模态试验仿真结果的匹配度较好，模态频率误差小于6%。5OHz以上模态振型匹配度较差。
　　（四）误差分析
　　无论采用试验模态和计算模态哪种分析技术，得到的结果必然与实际系统之间存在着误差。试验过程中的任何一个步骤都可能对模态识别结果造成影响，例如激励信号的信噪比，激励信号的形式，激励持续时间，测试边界条件，传感器的特性等。仿真计算的误差首先是建模误差，如接触的定义、结构的简化方式、非线性因素的影响，其次是模型中物理参数不能完全与实际情况吻合。
　　三、结论
　　本文对比分析了轨道车辆地板组合断面试验模态和计算模态的结果。在低频区域50Hz以下，模态频率振型的匹配度较高。由于受系统阻尼特性、结构非线性、仿真模型简化方式等影响，在高阶频率范围内，模态频率振型匹配性较差。
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