基于工作模态分析的车辆车体刚体模态识别研究.pdf

现代极械/Modern MachineryXiandai Jixie基于工作模态分析的车辆车体刚体模态识别研究黄五羊（中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲4 12 0 0 1)摘要：模态是表征结构固有特性的重要参数，结构模态参数的准确获取对校准模态数值计算模型以及后续结构动力修改具有重要参考意义。试验模态分析是获得大型复杂结构模态特征的重要手段。按照激励方式的不同实验模态分析可分为力锤激励和激振器激励，对于轨道车辆整车模态测试，常规的激励手段往往因其激励能量不足而难以获取车辆的刚体模态特性。因此本文以楔块组合法作为激励输入，结合工作模态分析技术（OMA)对某城轨车辆进行刚体模态参数识别，其相关试验方法及结果可为轨道车辆刚体模态参数的获取提供参考。关键词：OMA城轨车辆模态参数识别半功率带宽法中图分类号:U270.1;TH113.1Rigid body modal recognition of urban rail transit vehicles based on working modal analysisAbstract:Modal is an important parameter to characterize the inherent characteristics of the structure.The accurate acquisi-tion of structural modal parameters has important reference significance for the calibration of modal numerical calculationmodel and the subsequent structural dynamic modification.According to the modes of excitation,the experimental modal a-nalysis can be divided into force hammer excitation and shaker excitation.For the modal test of the whole rail vehicle,theconventional excitation means are often difficult to obtain the rigid body modal characteristics of the vehicle because of its in-sufficient excitation energy.Therefore,in this paper,the wedge group method is used as the excitation input,and the workingmodal analysis technology(OMA)is used to identify the rigid body modal parameters of an urban rail transit vehicle.Themethod and results can provide reference for the obtaining of rigid body modal parameters of rail vehicles.Keywords:OMA,urban rail transit vehicle,modal parameter identification,half-power bandwidth method1概述随着轨道交通行业的迅速发展，带来的振动问题日益凸显，这不仅大大降低了乘客的乘坐舒适性，还会导致车辆零部件产生严重的疲劳损伤。模态是结构的固有特性,在轨道车辆的车体结构设计之初对其进行模态分析是必不可少的。掌握其模态参数,能有效对车辆后期运营过程中的振动特性进行预测和评估 11。早在19 5 0 年,通过对试件施加频率不同,但幅值不变的正弦激励,其共振频率即为试件振动响应最大的频率。随着计算机技术和信号分析处理技术的迅速发展,在随后的时间里,相继出现了多点激励和环境激励的方法，使得模态参数识别技文献标识码：AHUANG Wuyang术取得重要进展。陈林等在2 0 0 8 年采用环境激励法,得到某高速轨检车的悬挂系统和车体结构的各阶模态参数 2 。2 0 11 年,郑德清对轨道车辆进行多点协调激励模态试验，得到了车辆的各阶固有频率及振型 3 。2 0 12 年，邱飞力等针对高速列车运营时的振动问题,通过线路模态试验，利用Test.lab测试系统的PolyMAX提取模态,得到车体的前3 阶弹性模态参数，为车体结构优化设计提供了依据 4 。2018年，何理和张立民通过静态台架模态试验，得到车体的前12 阶模态参数,并分析出车体的各阶模态对车体振动的贡献量 5 。2 0 2 0 年，董仕杰等利用楔块对车辆产生阶跃冲击激励，采用阶跃法对车体的模态参数进行识别，得到了车体刚体模态参文章编号：10 0 2-6 8 8 6(2 0 2 4)0 1-0 0 8 8-0 488Point7x设计、研究、分析2024年第1期Design,Research&Analysis数 6 。辆推上楔块，待车辆稳定后再将其缓慢推下楔块，然比利时LMS公司于2 0 0 4 年,在最小二乘复指后车辆会按假定的侧滚、点头和浮沉模式振荡，不同数方法的基础上成功开发的PolyMAX模态识别方的摆放方式可对车体产生不同的激励，图3 为楔块法，其采用了全新的频域分析方法，克服了时域分析的具体摆放位置，其箭头方向为车辆行进方向。记方法上的模态定阶困难、虚假模态、稳态图较为混乱录车辆从楔块上跌落受到的阶跃冲击及各个测点的的缺点 7 。本文利用车辆从楔块上自由落下产生自由衰减振动时间历程。的阶跃激励使车体振动，通过布置在车体上的加速度传感器记录振动响应随时间衰减的信号。通过采集得到的时间历程响应曲线，结合LMS公司的Test.lab测试系统的Op.PolyMAX模块和半功率带宽法来获取车体的模态参数。2试验方法2.1测点布置本实验通过在被测试整备车体车轮下放置楔块，使车体从楔块上自由落下产生激励，选用KIS-TLER加速度传感器采集车体的振动信号，利用LMS公司的SCD09数据采集系统采集以及分析数据,其试验系统组成如图1所示。加速度传感器PointlotPointlPoint8Point4PointTPoint2Point9Point5Pount12JPoint3Point6图2 车体测点的线框模型楔块（a）车体侧滚工况楔块（b）车体点头工况（c）车体浮沉工况模块图1车体模态测试试验组成系统车体测点的数目必须足够描述结构模态活跃的所有部分,以便区分出所需的振型 8 ,并且保证所选测点位置包括所关注的结构点。本文主要研究车体的侧滚模态、点头模态和浮沉模态,均为低频的刚体模态，传感器应均匀布置于车体上。因此，根据车体刚体模态振型特点，选取3个测试截面,即转向架中心截面和车体中间。每个截面的车体底部和顶部分别布置两个测点，共12 个测点,其示意图如图1所示，车体底部为测试点1至测试点6,顶部测点为测试点7 至测试点12。2.2试验过程根据车体尺寸以及测点实际位置在Test.lab测试软件中建立好车体测点的线框模型，如图2 所示。保持车辆静止，将空气弹簧充满气，利用牵引车将车楔块测试系统LMS数采图3 楔块摆放位置示意图3试验原理3.1模态参数识别工作模态分析技术（OMA）是仅根据响应信号从而获得结构的模态参数。对于本次试验，仅需采集车体上的振动响应，然后截取出列车受到阶跃冲击后，各测试点振动响应的自由衰减时间历程，图4为测试车辆侧滚模态时的时间历程曲线。将时间历程曲线经过傅里叶变换后得到其各个响应信号的频率谱，本试验中将测试点1设为固定参考点，通过频率谱得到通道1信号的自功率谱和其他通道与通道1信号的互功率谱。89.图，分别确定各个信号的半功率点处所对应的频率，现代极械Modern MachineryXiandai JixiePoin13.00利用公式(3)求得车体不同模态的阻尼比 8 ：ime.Thmughp18.000.98Ec4Point413.0018.000.98EC8Poimt813.000.97Eci0Peint1013.00TimeThroughput.ime/Thmughput.18.0018.00.000.707A0.94EEC12Point1213.00TimeThroughput.18.0013.K0.04C14P0i13.0C16Point1e0.0C18Point18.0C20Point203.0九TimcrThrouehrut图5 半功率带宽法幅值示意图ime/Throughput18.00Time/Throughputne/ThroughputTime/ThrmoughputX.0018.00(3)2f其中:f。为结构的固有频率;fi为半功率点频率，即0.7 0 7 倍频谱峰值所对应的频率。0.011.00Time/Throughput24Point243.0Timcrhrouehpat8.0图4 测点信号时间历程Gu=S,SGI=S,St其中,S,和S,为通道1和其他通道测得信号的频谱，S和S，为通道1和其他通道的频谱的共轭。根据响应信号的互功率谱密度函数与频率响应函数的相似关系,可以通过响应功率谱的峰值来确定结构的固有频率 8 ,采用半功率带宽法计算车体结构的阻尼比 9 。不同信号的互功率谱密度函数包含了信号之间在幅值和相位上的关系,其任一频率下的相位值表示了两个信号在该频率下的相位差。因此,可以通过不同测点与参考点的相位差以及幅值大小来确定该频率下的模态振型。3.2阻尼比计算半功率带宽法是常见的阻尼计算方法之一，是根据系统频域曲线的幅值变化来计算阻尼比。其半功率点为下降到0.7 0 7 倍最大值的曲线上的点，如图5 所示。图6 为车体在侧滚工况下各个测点信号的频谱(1)(2)0.0040.404试验结果通过楔块不同的摆放位置对地铁车辆进行模态测试,利用Test.lab软件中的Op.PolyMAX模块,对车体的固有频率和振型进行识别。图7 为车体在不同测试工况下的功率谱曲线及通过功率谱曲线峰值提取车体的刚体模态。表1为车体刚体模态试验结果汇总。表1车体刚体模态测试结果汇总车体模态固有频率/Hz侧滚模态0.80点头模态1.30浮沉模态1.30J0.00Hz3.00图6 振动信号频谱图阻尼比0.1780.3270.28290设计、研究、分析2024年第1期Design,Research&Analysis19.64e5结语通过楔块组合法对某城轨车辆进行刚体模态参数试验,结合工作模态分析技术（OMA）对试验数据:.00Mode1:0.8031Hz,7.58%（a）侧滚工况下功率谱曲线及模态振型37.29%Hoint8Pointlloimt2Point5PointoPoint12oint3Point6（b）点头工况下功率谱曲线及模态振型054.17e3.85Poit.Point6（c）浮沉工况下功率谱曲线及模态振型图7 不同工况下的功率谱曲线及模态振型HPointtPoin8Pointt2PontsPointFoint2Point6Point3Pom2进行分析计算，得到车体低阶刚体模态参数：车体侧PointloPoini7Point4tFointlPoint7PointtPointloPoint4Poit7Point1oPoimklPait8Point4Poimt1lPoimtsPoints滚的固有频率为0.8 Hz,阻尼比为0.17 8；车体点头的固有频率为1.3 Hz,阻尼比为0.3 2 7；车体浮沉的固有频率为1.3 Hz,阻尼比为0.2 8 2。其结果表明，对于轨道车辆车体模态试验，楔块组合法结合工作模态分析技术能够有效地获取车体结构的低阶模态参数，试验方法及结果可为轨道车辆车体刚体模态参数的获取提供有益的参考。参考文献1贺小龙，张立民，鲁连涛，等。高速列车车体模态贡献量对振动的影响分析 J.铁道学报,2 0 17,3 9(12):16-22.20.00陈林,张立民，段合朋。基于环境激励的车辆系统工作模态试验分析 J.噪声与振动控制,2 0 0 8,2 8(6):8 1-84.3 郑德清.机车车辆多点激励模态试验系统研究 D.成都：西南交通大学,2 0 11.4邱飞力,张立民,王学亮.应用Test.Lab进行高速车体线路模态试验 J.噪声与振动控制,2 0 12,3 2(2)：6 7-70.5 何理，张立民.基于静态台架试验的车体模态贡献量分析 J.噪声与振动控制,2 0 18,3 8(4):9 6-9 9.6 董仕杰,王鹏伟，张立民，等.基于跌落试验的某型地铁车体模态分析 J.噪声与振动控制,2 0 2 0,4 0(1)：154-157.7郭翔鹰,张杨,颜文瀚，等.基于PolyMAX法的Z型折叠机翼的模态实验 J.振动.测试与诊断,2 0 2 0,4 0(2):326-331.8徐立新.运行状态下模态参数识别方法的研究 D.南京：南京航空航天大学，2 0 0 9.9阿维塔比菜.模态试验实用技术：实践者指南 M.北京：机械工业出版社，2 0 19.作者简介：黄五羊，男，硕士研究生，研究方向为机械工程、陶瓷材料加工。收稿日期:2 0 2 3-0 8-3 191.