局部应变法敞车侧板模态测试及结构改进

刘凤芹，李向伟

(中国北车集团 齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 161002)*

局部应变法敞车侧板模态测试及结构改进

刘凤芹，李向伟

(中国北车集团 齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 161002)*

通过某车体侧板结构的模态试验，基于局部应变法测定了侧板的固有频率和振型，通过两种试验结果的相互验证，表明在23.389 Hz频率下，车体侧板的两端，出现了局部二阶振型，局部应变明显增加，在接近该频率的激扰下，存在共振带.通过改进侧板结构刚度，对改进后的新结构按相同的试验方法进行了测试和分析，局部应变明显减小，共振现象消失，证明新设计的侧板结构更合理有效.

敞车侧板;模态测试;应变测试;结构改进

0 引言

铁路货车车体强度的验证试验主要以静强度试验、冲击试验和动力学试验为主，随着机械化作业程度的提高，还出现了许多新的运用工况，对这些特殊工况的验证试验也是非常必要的.某底开门敞车主要用于运输散粒货物，该车卸货辅助以1 440 r/min偏心轮电机，工作频率为24 Hz的垂向振动完成，为了验证该车的侧墙结构性能是否满足该电机垂向振动工况的使用要求，针对该运用工况对车体侧墙板进行了振动试验测试，通过对试验数据的分析确定车体侧墙结构的模态参数，并采用局部应变测试结果与模态测试结果互相验证，并提出了新的设计方案，同时，对新的设计方案进行对比试验分析，验证了新结构的合现性及有效性.

1 敞车侧樯板动态特性分析

系统的动态特性是指系统随频率、刚度、阻尼变化的特性，是系统在输入(激励)作用下所表现出来的性能.敞车侧樯板动态特性分析是一个n自由度的无阻尼线性系统的响应问题，通过模态变换，可以转换为n个独立谐振振子的模态响应问题，在求得各个模态响应后，再通过线性变换，可得到原系统的响应.模态测试的最终目的是识别出系统的模态参数，即结构的特征值和特征向量，从而认识结构的基本动态特性，为结构系统的振动特性分析及结构动态特性的优化设计提供了依据［1］.

2 敞车侧樯板动态特性试验研究

模态分析是结构动力学特性分析的一种重要方法，敞车侧樯动态特性试验采用模态测试结合关键受力部位应变测试的方式进行，两种试验的测试结果可以相互验证、相互补充，为结构改进和产品鉴定提供更加可靠的试验依据.

2.1 试验过程

(1)测试系统组成

试验设备包括:LMS数据采集装置及LMS模态分析系统、MDR动态数据采集系统及DDP分析处理系统、SINOCERA电磁激振器(1 000 N)、INOCERA功率放大器、KISTLER加速度传感器(60套)、KISTLER力传感器(2套)、电阻应变计等，系统组成见图1.

(2)激励方式

由于车体自由状态的频率并不是我们所关心的，为此被试车采用的是车体工作时的支撑状态.模拟振车器实际工作状态加载，将激振器反向悬吊在空中，在车体上侧梁上焊接激振座，激振座与激振器的激振杆通过螺栓连接，振动工作时激励源方向为竖直向下，对端部上侧梁进行激励，采用电磁式激振器随机激励方式.激振器安装方式见图2.

图1 测试系统组成结构图

图2 激振器安装方式图

(3)测试参数设置

模态测试几何模型与试验对象的尺寸比为1∶1，由于本次试验的所关心频带相对较窄，带宽设置为 100 Hz，分辨率为 0.2 Hz.

应变测试采样频率500 Hz，低通滤波节止频率100 Hz.

2.2 试验内容

(1)模态测试

本次试验的测试对象为敞车侧墙组成，形状相对规则，仅使用笛卡尔坐标系即可完成，测点的选择则需要根据经验和分析估计被测结构各阶模态节点和节线可能存在的位置，建立节点模型.根据侧墙板、侧柱和上侧梁的结构特点，将其划分为14个部分，根据车体几何尺寸参数，建立了如图3所示的节点模型.

图3 节点模型示意图

为减小激振器可能产生空中摆动导致的误差，试验时激励和响应信号都加汉宁窗，以抑制泄露，并进行20次平均，以消除结构非线性的影响，从非线性系统中得到最佳线性频响特性估计，同时还可以消除噪声干扰和畸变.

本次试验分别对被试车原结构及改进结构的侧墙组成进行了比对测试分析，测量分析的重点在与振动电机接近的15～35 Hz的模态振型.

(2)应变测试

在端部侧板靠近侧柱及上侧梁的焊缝位置处布置了15个应变测点，如图4所示.为了便于现场监测各测点在不同频率载荷振动下的受力情况，分别采用20～30 Hz的正弦信号进行激励，采用MDR型动态数据采集系统对应变信号进行采集记录.本次试验分别对被试车原结构及改进结构按相同试验方法进行了测试分析.

图4 应力测点布置图

3 测试结果

3.1 车体原结构测试结果

3.1.1 模态测试结果

应用LMS软件中Modal Analysis模态分析模块对测试数据进行分析处理，模态分析计算原理如图5所示.经过模态参数计算可得到各阶模态的自相关函数图，模态超复性MOV，模态相位共线性MPC和平均相位偏离等信息.通过对车体模态计算结果进行综合分析和评价参数来确定试验结果的准确性和有效性.

图5 模态分析计算原理图

车体侧墙板原结构的的模态测试参数见表1.频率为23.389 Hz的局部振型如图6所示.

表1 原结构的模态测试参数表

图6 23.389 Hz局部振型图

试验结果分析:

(1)原结构在23.389 Hz附近，车体侧墙组成的两端侧板出现局部振型，与偏心轮电机24 Hz工作频率存在共振带，其余侧板相对保持静止，无共振现象.共振的结果会使振动能量集中于端部侧板，导致端部侧板产生大幅度振动，在使用的过程中容易造成局部疲劳破坏;

(2)侧板27.818 Hz的局部振型与偏心轮电机使用工况振动频率偏离，不会产生共振.其余为整体振型或频率偏离较大，使用过程不会产生共振及局部损坏.

3.1.2 应变测试结果

采用DDP动态信号处理系统对应变测试结果进行了分析处理，选取产生应变最大的前4个测点进行了应变测试值统计分析，测试结果如图7所示.

图7 原结构应变响应统计图

试验结果分析:

(1)从图7可以得出，激励频率为24 Hz区域时出现突兀的应变响应峰值，表明侧板与小立柱连接焊缝处产生了较大幅值的交变应力，与原结构在23.389 Hz车体侧墙组成的端部侧板出现局部二阶振型的模态测试结果相吻合，证明原结构与垂向振动电机使用工况存在共振带;

(2)车体侧墙内侧中部有一根横贯的冷弯角钢，测点12～测点15位于冷弯角钢和上/下侧梁中部位置，测点12、测点14位于端部侧板上，这两点的应变值大于位于小立柱另一侧对应的测点13、测点15.

根据两种测试方法的试验结果分析，提出了以下结构改进方案:

在车体每个侧墙内侧增加1根冷弯角钢，对侧墙进行整体加强，同时考虑到端部侧板产生的应变较大，对每块端部侧板再增加两块条形钢板进行局部加强.改进方案调整了侧墙局部刚度，以避开垂向24 Hz的共振频率.

3.2 改进后的车体侧板测试结果

3.2.1 模态测试结果

结构改进后，使用同样的激励法对车体侧板进行了模态试验，得到的侧板模态参数见表2.

表2 改进后的模态测试参数表

试验结果分析:

(1)改进结构在垂向24 Hz激励下，虽然车体侧墙组成产生了 16.677、23.961、26.742 Hz的振动频率，但均为整体振型，无位移较大的局部模态，不会造成侧板损坏;其余频率均偏离较大，不会引起共振及局部损坏;

(2)通过提高局部刚度，改进结构改变了车体侧墙的振动频率及振型，对局部模态影响较大，避免了垂向24 Hz振动工况下的局部共振现象.

3.2.2 应变测试结果

改进结构采取了与原结构相同的应变测试方法及数据分析方法，结果如图8所示.

图8 改进结构应变响应统计图

试验结果分析:

从图8可以得出，改进结构在垂向激励频率为24 Hz时，各测点的应变测试值均较小，改进效果显著.结果表明在激励频率为24 Hz时不会产生共振，同时也验证了模态测试结果的准确性.

4 结论

(1)原结构在23.389 Hz频率下，车体侧墙组成的两端侧板出现局部二阶振型，与垂向振车电机24 Hz工作频率存在共振带，局部应变测试值较大，振动能量集中于端部侧板，导致其产生大幅度振动，使用过程中将会导致侧墙板疲劳破坏;

(2)原结构侧墙板的27.818 Hz频率下局部模态与垂向振车电机24 Hz振动频率有所偏离，不会引起共振，其余模态为整体振型或频率偏离较大，均不会引起共振及局部损坏;

(3)改进结构的车体侧墙组成虽然产生了16.677、23.961、26.742 Hz振动频率，但均为整体振型，无局部模态，局部应变测试值均较小，因此，在垂向振车电机24 Hz激励下，不会引起局部共振，其余模态频率均偏离较大，均不会引起共振及局部损坏;

(4)应变测试结果直观地体现了车体结构改进效果的显著性，验证了模态测试结果的有效性;

(5)通过提高局部刚度，改进结构改变了车体侧墙的振动频率及振型，避免了振车电机24Hz振动工况下的局部共振现象，且具有较大的共振频率安全范围，改进后的结构可以满足振车电机在24 Hz工作频率下正常使用的要求.

［1］何远新，张立民，郭小锋.GQ70型铁路罐车模态仿真及试验研究［J］.机械设计，2012，29(11):41-45.

［2］张卫华.机车车辆动态模拟［M］.北京:中国铁道出版社，2006.

［3］朴明伟，张祥杰，王婷.单层双层集装箱车体振动特征分析［J］.铁道机车车辆，2008，28(6):4-7.

［4］张亚辉，林家浩.结构动力学基础［M］.大连:大连理工大学出版社，2007:205-225.

［5］陈阳，朱茂桃，周孔亢.基于模态方法的车门动态特性研究［J］.汽车技术，2011，5:25-29.

Modal Testing and Improvements of Side Plate of Open Top Wagon Based on Local Strain Method

LIU Feng-qin，LI Xiang-wei

(CNR Qiqihar Railway Rolling Stock Co.，Ltd，Qiqihar 161002，China)

In the modal testing of the side plate of wagon body，the inherent frequency and vibration mode of the side plate are measured by local strain method.The comparison of the results shows that the second order vibration mode happens to the two ends of the side plate of wagon body under the frequency of 23.389 Hz with obviously increased local strain，and the resonance phenomenon happens under the excitation of the approximate frequency.After modification of the rigidity of the side plate，the same test and measurement results show that no resonance phenomenon happens，which means that the improved side plate structure is more reasonable.

open top wagon side plate;modal test;strain test;structure improvement

A

1673-9590(2013)06-0027-04*

2013-03-06

铁道部科技研究开发计划资助项目(2011J014-B)

刘凤芹(1972－)，女，高级工程师，硕士，主要从事铁路货车及其零部件试验工作的研究

E-mail:xinyue_288@126.com.