基于粒子阻尼的高速动车组侧墙蒙皮减振研究.pdf

第2 0 卷第9 期2023年9月D0I:10.19713/ki.43-1423/u.T20221846铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and Engineering基于粒子阻尼的高速动车组侧墙蒙皮减振研究Volume 20Number 9September2023肖望强，邵堃(厦门大学航空航天学院，福建厦门36 10 0 0)摘要：高速动车组高速运行时，振动、冲击及气动效应复杂，随着动车组速度的不断提升，侧墙结构振动问题越来越显著。为了解决高速动车组高速行驶时车体侧墙蒙皮的振动问题，提出一种基于粒子阻尼技术的高速动车组侧墙蒙皮设计方法，能够在列车高速行驶时提高它的减振特性。首先建立侧墙结构模型，基于侧墙结构的动力学特性，通过模态分析得到侧墙各阶固有频率及其对应的振型从而确定粒子阻尼器的最佳安装位置。然后对粒子阻尼器的外观和结构进行设计以符合安装要求，再基于离散元理论，通过前面模态分析得出的频率以及阻尼器安装位置建立侧墙结构粒子阻尼器的能量耗散模型，分析阻尼器粒子材质、粒子粒径和粒子填充率对侧墙系统耗能的影响，比较各种配置方案最终耗能值的大小，从而得出粒子阻尼器的最佳配置方案。通过动力学分析和离散元模拟发现，设计粒子材质为铁基粒子、粒径为2 mm，填充率为95%的粒子阻尼器耗能值最大，减振效果最好。最后搭建试验台进行验证。试验结果表明：侧墙结构敏感区域安装仿真所设计粒子阻尼器减振效果平均可达6 5%以上，各阶频率对应峰值降幅明显，证明了粒子阻尼在高铁侧墙中应用的有效性。研究成果为动车组侧墙蒙皮的减振降噪提供一种新的思路，具有重要的工程意义和应用价值。关键词：粒子阻尼器；高铁侧墙；离散元法；减振降噪中图分类号：U266文章编号：16 7 2-7 0 2 9（2 0 2 3）0 9-32 51-11文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)Vibration reduction of side wall skin of high-speed EMU based onparticle dampingXIAO Wangqiang,SHAO Kun(School of Aerospace Engineering,Xiamen University,Xiamen 361000,China)Abstract:The vibration,shock and aerodynamic effects are complicated when high-speed EMU is running athigh speed.The vibration problem of sidewall is becoming more and more significant with the increasing speedof EMU.In order to solve the vibration problem of the sidewall skin of high-speed EMU at high speed,a designmethod of the sidewall skin based on particle damping was proposed,which can improve its dampingcharacteristics when the EMU is running at high speed.Firstly,the model of the sidewall was established.Basedon the dynamic characteristics,the modal analysis was used to obtain the natural frequencies and theircorresponding modal vibration patterns of the sidewalls to determine the optimal installation position of particle收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 2基金项目：国家自然科学基金资助项目(512 38 97 1)；中央高校基本科研业务费专项资金厦门大学校长基金资助项目(2 0 7 2 0 2 10 0 42)通信作者：肖望强(198 1一)，男，河北邢台人，教授，博士，从事机械动力学、减振降噪方面研究；E-mail：w q x i a o x mu.e d u.c n3252dampers.Then,the appearance and structure of particle dampers were designed to meet the installationrequirements.Based on the discrete element method,the energy dissipation model of particle dampers on thesidewall was established with natural frequencies and installation position obtained from the previous modalanalysis.The influence of particle material,particle size and particle filling rate on the energy consumption of thesidewall system was compared,and the energy consumption value of various configuration schemes wascompared to obtain the optimal configuration scheme of particle damper.Through the kinetic analysis anddiscrete element method,the results show that particle damper has the highest energy dissipation value and thebest vibration damping effect when particle material is iron,particle size is 2 mm and particle filling rate is 95%.Finally,a test bench was built for verification.It shows that the vibration damping effect of particle dampersinstalled in the sensitive area of the sidewall could reach more than 65%on average,and the corresponding peakreduction at each order frequency was obvious,which proved the effectiveness of particle damping in theapplication of high-speed EMU sidewall.It provides a new way for the vibration and noise reduction of the EMUsidewall skin,which has important engineering significance and application value.Key words:particle damping;the side wall of high-speed EMU;discrete element;vibration and noise reduction铁道科学与工程学报2023年9月高铁因为其安全舒适、运输效率高、耗时较少等特点深受人们喜爱。高速动车组贴近地面高速运行，轨道及沿线设施的激扰剧烈，地面效应显著，振动、冲击及气动效应复杂，高速动车组作用关系复杂-2。近年来，高速列车追求更加极致的运行速度3及更高的运输效率，导致高铁在运行过程中更容易引起车身侧墙等结构的局部共振。侧墙蒙皮的振动，轻则带来辐射噪声4影响司机与乘客的驾驶体验与乘坐体验，重则导致各结构疲劳失效，影响列车运行安全性。因此在顺应高效化、高速化以及轻量化发展趋势的同时，高铁列车车体侧墙蒙皮的振动问题也日益显著。侧墙立于车体两侧，结构对称，侧墙由侧墙门框和分块侧墙单元2 种模块构成，占高速动车组车体结构总面积的40%以上。针对侧墙蒙皮振动问题方法主要有壁板表面加筋、表面敷设阻尼材料、安装阻尼器等。张波成等5提出复材蒙皮的硬涂层阻尼减振设计方法，并对硬涂层减振性能进行多参数优化。滕晓艳等提出了薄板结构加强筋布局的仿生拓扑优化方法。徐峰祥等7 对不同类型变厚度薄板的振动特性进行仿真分析，提出一种新型变厚度薄板。朱海华等18 通过振动功率流法研究了薄板结构振动能量的传递特性，基于数字图像相关(DIC)方法对功率流进行可视化。姜周等9针对壁板振动，提出一种利用结构中禁带特性进行减振的设计方法。以上方法可分为增加结构刚度与增加结构阻尼，而增加结构刚度大多会影响高速动车组的轻量化从而限制高铁的速度与能耗。通过对比，最适合于高铁减振的方法为增加结构阻尼，增加结构阻尼最常用的方法是刷阻尼涂层，但阻尼涂层易老化、腐蚀，使用周期短，受环境影响较大。粒子阻尼技术是一项振动控制新技术，具有不改变原始结构、可靠性高、温度适用范围大等特点10-13。广泛应用于高铁14-16、机床(17、齿轮18-19等方面。综合各种减振方式的优缺点，考虑到应用于高铁列车的可靠性以及成本要求，本文引入粒子阻尼技术，研究粒子阻尼器配置方案对高铁列车车体侧墙蒙皮振动抑制效果的影响，并从以下方面进行开展：基于侧墙蒙皮结构的有限元分析，通过模态分析得到侧墙结构各阶模态频率及振型，通过离散元法计算阻尼器粒子系统耗能，并结合试验探究不同粒子配置对于侧墙蒙皮减振效果的影响。1侧墙蒙皮有限元分析模态参数为高铁侧墙蒙皮结构动力特性优化设计的依据，通过模态分析，得出高铁侧墙蒙皮的振型，从而得出高铁侧墙蒙皮在受到外界激励作用时引发的振动形式，特别是振动较大的振型，为下一步粒子阻尼器的设计和高铁侧墙蒙皮的优第9期化奠定基础。侧墙单元由侧墙蒙皮和侧墙骨架组成。侧墙蒙皮由上下2 块蒙皮对接激光焊而成。侧墙结构模型如图1所示。图1侧墙模型Fig.1 side wall model根据圣维南原理将高铁侧墙模型进行简化，采用有限元法建立与高铁侧墙结构元素相同的有限元模型，采用有限元workbench软件进行模态分析。根据侧墙结构特性，由于侧墙多为板类结构，且为了使计算收敛速度较快，避免过于耗费计算机资源，网格单元类型采用六面体单元；网格尺寸过大，会导致精度不足，网格尺寸太小，过于A:ModalTotalDeformaionType:TotalDefermationFrequeoy:S6.29Hzuitm2022/4/25119450.1388Max0.123380.107960.092.5860.077 1130.0616910.0462680.0308450.015423OMinA:ModalTypes Total DeformutioniTetal Defarmatien3Frequencn78A39HzUnie:m2022/4/25 11490.163.41Max0.145250.12710.108940.0907840.0726270.054470.0363140.0181570MinA:ModalTotal Deformation5Type:Totel Deformationfrequengg119.79HzUnit:m2022/4/2511520.1935Max0.1720.15050.1290.10750.0860010.0645010.0430.0215OMin(a)1阶模态振型；(b)2阶模态振型；(c)3阶模态振型；(d)4阶模态振型；(e)5阶模态振型；(f)6阶模态振型肖望强，等：基于粒子阻尼的高速动车组侧墙蒙皮减振研究频率/Hz156.3268.5378.4高铁侧墙的前6 阶振型如图2 所示。由模态分析可知，高铁侧墙模态比较密集，主要为窗口与门框附近区域的弯曲、变形，因此在振动传递的过程中，窗口与门框为振动敏感区域，初步设计粒子阻尼器置于外窗周围。因为6 阶(143.8Hz)模态振型加速度幅值最大，所以后续粒子阻尼器主要针对高铁侧墙143.8 Hz处的相应振动进行减振降噪设计。A:ModalTotal Deformation2Type:Totel DefomationFrequeng:60478HeUnit:m2022/4/2511480.15528Max0.138030.120770.103520.0862660.0690130.051760.0345070.0172530MinType:Total DeformatonlTotal DeformationAFrequeny:95.52HzUntm2022/4/2511510.1823Max0.162050.141790.121530.101280.0810230.0607670.040510.0202560MinA:ModalTotalDeformaton6Type:Tocal DeformationFrequengy:143.79HeUntm2022/4/2511530.17925Max0.159340.139420.11950.0995850.0796680.0597510.0398840.019917oMin图2 侧墙前6 阶模态振型Fig.2 First six modes of the side wall3253耗费计算机资源，所以为了确保网格划分精密性与准确性，且避免计算量过大，网格单元尺寸设置为0.1m。将侧墙模型定义为铝合金材质，将侧墙前后两端与上下两端作为面约束进行模态分析，高铁侧墙的前6 阶频率如表1所示。表1侧墙前6 阶模态频率Table 1First sixth modal frequency of the side wall模态阶数95.55119.86143.8模态阶数4频率/Hz32542基于耗能的粒子阻尼器设计2.1基基于耗能的粒子阻尼器设计粒子阻尼器的设计与安装应满足以下要求：首先，粒子阻尼器应与高铁侧墙蒙皮表面紧密贴合，保证阻尼器与蒙皮充分接触从而发挥最好的减振效果；其次，阻尼器不能影响车内空间及乘客乘坐且不影响其余部件的安装，无需改变侧墙原始结构，便于安装；最后，应保证粒子阻尼器有足够的可靠性和寿命。依据侧墙的结构特征和模态分析后所呈现的振动敏感区域，阻尼器外壳设计为薄壁式阻尼器，在保证阻尼器可靠性的同时又有利于高速动车组的轻量化；采用铆钉接合的方式使阻尼器与原始结构刚性连接。基于侧墙蒙皮的局部模态，粒子阻尼器的安装位置设置如图3所示，本次安装阻尼器主要围绕外窗周围进行安装，降低壁板结构的局部振动。本次安装的粒子阻尼减振器参数为：长宽高分别为19 0，10 5和9 mm，外壁厚度为2 mm。阻尼器盖板设置2 1个螺钉孔位，采用卡扣式设计，铁道科学与工程学报可以保证良好的密封性和可靠性。阻尼器上增加铆接安装耳，用于与侧墙蒙皮刚性连接，在保证阻尼器与蒙皮紧密接触的同时避免阻尼器与蒙皮直接黏接导致可靠性太低。阻尼器内部采用分腔设计，按照一定规律设置阻尼粒子，内部填充粒子的最佳材质、粒径和填充率等相关参数由后续离散元模型耗能计算得出。图3粒子阻尼器安装位置(矩形框区域)Fig.3 Particle damper installation location(rectangle area)2.2侧墙一粒子阻尼器离散元耗能模型离散元法将每一个粒子单元视为一个单元，每一个粒子单元都有对应的体积和形状，它们共同组成了整个不连续的整体。高铁侧墙离散元耗能模型如图4所示。2023年9月颗粒一阻尼器壁kN2Cs2k2CN2颗粒颗粒iTFSmgCMIk颗粒一颗粒FNC2图4侧墙离散元模型Fig.4 Discrete element model of side wall在建立侧墙离散元模型时，应满足以下假设：1)将单个粒子视为刚性体，整个粒子系统的变形由每个粒子的变形组成；2)粒子接触为点接触；3）粒子之间为软球接触，即存在重叠量；4)在每个时间步长内，粒子间的合力由每个粒子间的相互位置确定。侧墙系统的离散元模型由粒子与阻尼器壁以及粒子与粒子的振动模型和接触模型组成。其中粒子i所受自身重力mg，粒子与阻尼器壁第9期所带来的法向力F与切向力Fs以及外力矩T，k n l和cm分别为粒子与粒子的法向弹性系数与法向阻尼系数，kmz和cm2分别为粒子与阻尼器壁的法向弹性系数与法向阻尼系数，k，和c分别为粒子与粒子的切向弹性系数与切向阻尼系数，k，和c2分别为粒子与阻尼器壁的切向弹性系数与切向阻尼系数。粒子的振动模型可分解为法向振动、切向滑动和粒子滚动，这3种振动形式的运动方程可表示为：d?x,mi+Cndt2dtdxdxnmij+Csdt2dtdx+Cr+k,x,r=Tdt2dt其中：m,为粒子与粒子接触的等效质量；I,为粒子与粒子接触的等效转动惯量；x，与x,分别为粒子法向与切向的接触位移；r为旋转半径，粒子与粒子的法向接触系数可表示为：2Ekl=VR3(1-:2)式中：E为弹性模量；为泊松比；R,为粒子与粒子接触的等效半径。粒子与粒子的切向接触系数k,可表示为：k,=8G,/R,x,式中：为粒子与粒子的等效剪切模量。而粒子与阻尼器壁间的法向接触系数km可表示为：41-e21-8km2=VR,3E,而粒子与阻尼器壁间的法向接触系数k，可表示为：k.2=8G,VR,x,粒子与粒子间的法向阻尼系数与切向阻尼系数分别为：2lneVmok,CV元?+ln?e2lne Vmok,V元?+ln?e肖望强，等：基于粒子阻尼的高速动车组侧墙蒙皮减振研究粒子能量耗散机理粒子阻尼器能够对原始结构有较好的减振效果，其本质为粒子之间的摩擦耗能。当动车组高速行驶时，轨道与气流等的激励和干扰会向侧墙系统输入能量，使整个侧墙系统产生响应。同时，基于能量守恒定理，为了能够保持能量总量不变，侧墙系统将输入的能量通过另一种形式消耗掉2 0。激励源源不断向侧墙系统输入能量，而与耗散的能量保持一致，使系统稳定振动。当粒子随着侧墙结构振动时，粒子与粒子之间以及粒子与阻尼dx+k,=F,+k,=F,E,32552.3米器壁间产生高频率的撞击，且高频率的撞击会使得机械能转换为其他形式的能量更加容易。同时，(1)激励频率要小于粒子撞击频率，可以造成频率转换，带来更好的减振效果。粒子能量耗散主要包括碰撞消耗的能量和摩擦消耗的能量。当相邻粒子i和j碰撞时，碰撞耗能表示为：(8)1dtdti=1,i+j1(2)2m;mj式中：e为粒子的恢复系数；v为粒子碰撞时的相对速度。摩擦所消耗的能量根据摩擦力做功确定，可表示为(3)式中：为两粒子之间的摩擦因数；Fm为接触粒子间法向压力；S,表示接触粒子间切向相对位(4)移。粒子与阻尼器壁的碰撞所消耗的能量和摩擦所消耗的能量计算方法与粒子与粒子计算方法相似，分别表示为El-m和Emic-m所以粒子系统的总体能耗可表示为：(5)E=ZEo-+Eol-m+ZEmo-+ZEmio-m(10)3粒子阻尼器配置对侧墙蒙皮耗能的影响分析(6)3.1米粒子材质研究粒子材质是影响粒子阻尼效果最重要的影响(7)因素之一，对于阻尼粒子材质，其影响因素主要1-e2AEri-=i=1.i#jd_ d(9)3256有4个：粒子密度、粒子剪切模量、泊松比以及粒子恢复系数。不同的剪切模量、恢复系数、泊松比所对应的阻尼效应则不同。考虑到实际工程应用，采用目前市场上使用较广泛的粒子进行仿真计算。材质的选择应由仿真结果中各材质耗能大小来决定。各材质材料参数如表2 所示。表2 不同材质粒子参数Table 2Different material particle parameters粒子材质陶瓷粒子钅铝基粒子铁基粒子钨基粒子密度/gmm)0.003弹性模量/GPa350泊松比V0.20恢复系数e0.30在阻尼器中采用不同粒子材质进行仿真计算，首先将粒子阻尼器固定于侧墙目标位置，在粒子阻尼器中添加粒子，粒子粒径按2 mm计算，添加不同粒子材质对应的材料参数以及侧墙模型的材料参数。计算中设定正弦激励143.8 Hz，设置添加粒子数目使得粒子体积填充为98%。其他相关参数保持一致，通过改变粒子的材料参数改变粒子材质来计算不同密度粒子的耗散能量值，不同粒子材质耗能模型如图5所示。(a)铝基粒子铁道科学与工程学报0.83.657.80722100.30.280.420.302023年9月陶瓷粒子铝基粒子2.4铁基粒子钨基粒子2.01.6/1.20.80.4018.20.70.6时间步长/s4000.50.40.280.30.20.280.1图6 不同时间步长粒子材质耗能值Fig.6 Energy consumption value of different particlematerials at different time steps通过不同粒子材质耗能值图可以得出，同等条件下，高铁侧墙粒子阻尼器粒子不同材质间耗能值存在差异。当粒子为铁基粒子时，耗能效果最优。即针对高铁侧墙结构填充粒子为铁基粒子时可以达到最好的减振降噪效果。3.2米粒子粒径研究粒子粒径是影响粒子耗能的关键因素之一，与最终粒子阻尼器减振降噪效果息息相关。粒子粒径耗能模型如图7 所示。铁基粒子铝基粒子陶瓷粒子(b）钨基粒()陶瓷粒子)铁基粒子图5不同粒子材质耗能模型1 mmFig.5 Energy consumption model of differentparticle materials通过后处理界面统计不同时间步长内不同材质粒子的耗散能量值，耗散能量值统计结果如表3和图6 所示。表3不同粒子材质总耗能值Table 3 Total energy consumption value ofdifferent particle materials粒子材质陶瓷粒子铝基粒子铁基粒子钨基粒子总耗能值/9.881.5mm3mm2.5mm图7 不同粒子粒径耗能模型Fig.7 Energy consumption model of different particle size在粒子阻尼器内，耗能效果并不是与粒径大小成正比或反比。若粒子粒径过小，尽管相同空15.3533.051.8 mm2mm20.58间下其粒子数量最多，使得粒子间更容易发生接第9期触与碰撞，但是粒子粒径小会直接导致粒子间摩擦因数变小，摩擦耗能并不与粒子数量成正比。所以说，虽然粒径小的粒子与粒子及阻尼器内壁碰撞次数更多，但单次接触耗能较小，不利于增加粒子耗能。粒径较大的粒子间虽然接触面积较大，但是相同容积下数量太少导致碰撞次数太少，不利于耗能的增加。所以，需要综合考虑粒子在单次接触耗能和接触次数的作用，从而达到最优耗能效果。对阻尼器中不同粒径的铁基粒子进行仿真计算，在侧墙目标位置固定粒子阻尼器且设置粒子材料参数，设置不同粒径的粒子，计算中设定定频激励143.8 Hz，粒子按体积填充率填充，其中采用的体积填充率，为按体心立方排列下将阻尼器填满为98%。其他相关参数保持一致，通过改变粒子的粒径来计算不同粒径的耗散能量值如表4和图8 所示。表4不同粒子粒径总耗能值Table 4 Total energy consumption model ofdifferent particle size粒子粒径/mm总耗能值/J粒子粒径/mm总耗能值/111.381.518.351.820.58通过不同粒径耗能值图可以得出，同等条件下，高铁侧墙粒子阻尼器粒子不同粒径间耗能值存在差异。随着颗粒粒径的增大，耗能值先增大，到2 mm时达到最大，然后开始呈现下降的趋势。所以当粒子粒径为2 mm时，耗能效果最优。即针肖望强，等：基于粒子阻尼的高速动车组侧墙蒙皮减振研究到最好的减振降噪效果。0.80.70.6时间步长/s0.50.40.30.20.1图8 不同时间步长粒子粒径耗能值Fig.8 Energy consumption value of particle size atdifferent time steps3.3米粒子填充率研究粒子填充率的变化，其本质是粒子流态的变233.052.522.3318.393257对高铁侧墙结构填充粒子粒径在2 mm左右可以达Imm1.5mm1.8mm2.42 mm3mm2.5mm2.01.6/1.20.80.4032.5mmmm2mm1.8mm1.5mm1mm化，表现为粒子等效黏滞系数的变化。粒子流是由众多粒子组成的具有内在相互作用的非经典介质流动，在固定的容腔内，随着粒子数量的增多，粒子从非阻塞性粒子流(惯性流)逐渐转变为密实粒子排布(弹性流)，在惯性流中，粒子之间的耗能主要以粒子的碰撞耗能为主，在弹性流中，粒子主要以粒子系统力链的压曲变形及组构粒子之间的相互剪切和摩擦耗能为主。60%填充率98%填充率95%填充率80%填充率90%填充率图9不同粒子填充率耗能模型Fig.9 Energy consumption model of different particle filling rates3258Table 5 Total energy consumption model ofdifferent particle filling rates粒子填充率/%总耗能值/粒子填充率/%总耗能值/608.048010.019020.350.80.70.6时间步长/s0.50.40.30.20.1图10不同时间步长粒子填充率耗能值Fig.10 Energy consumption value of particle filling rates atdifferent time steps铁道科学与工程学报表5不同粒子填充率总耗能值根据对粒子材质与粒子粒径的研究，对阻尼器中不同填充率的2 mm铁基粒子进行仿真计算，在侧墙目标位置固定粒子阻尼器，计算并设置粒子总数以达到填充率的要求，计算中设定定频激9533.059821.7360%80%90%2.495%98%2.01.6/1.20.80.4098%95%90%80%60%2023年9月励143.8 Hz，通过后处理界面统计不同填充率的粒子耗能情况。不同填充率粒子耗能值如表5和图10所示。由图10 可知，随着填充率的增长，粒子的耗能值先是逐渐增大，到95%填充率耗能值达到峰值，所以当粒子填充率为95%时，粒子耗能效果最优，即当粒子的填充率为95%时，粒子阻尼器的减振降噪效果最优。4侧墙蒙皮减振效果试验验证4.1试验台搭建为了对粒子阻尼器对于高铁侧墙的减振效果进行验证，搭建试验平台进行高铁侧墙减振试验。研究不同测点在不安装阻尼器工况下与加入粒子阻尼器后振动加速度对比，从而得到粒子阻尼器的减振效果。试验台搭建示意图如图11所示。M2M1M31信号发生器激振器电脑信号采集仪功率放大器图11减振试验示意图Fig.11 Schematic diagram of vibration reduction test如图11所示，将信号发生器、功率放大器与激振器相连，用激振器置于侧墙侧面进行激振，激励点选择要尽量避开模态节点位置，且需要考虑激振器与顶杆的位置，综合考虑，设置激励点位置如图所示。加速度测点应尽量布置于振动位移响应较大的地方，选取测点M1，M 2 和M3布置于车体外侧，测点位置如图11所示。将信号采集仪与电脑相连，将信号采集仪与加速度传感器连第9 期接，在测点上布置加速度传感器获得实时振动加速度值并传递到信号采集仪进行收集与整理，最终将测试结果传到电脑端进行分析。在振动测试之前，需要对测试系统进行校准，包括加速度传感器、信号放大器以及信号处理系统。设置好正弦激励的扫频范围以及测试参数，具体操作流程如下：1）按照试验方案，综合考虑试验现场环境和模型状态，在模型上确认、标记并编号相应测点和激励点。2)布设传感器，组建安装测试系统，开展正式试验前的调试工作，确认系统运行状态良好。3）测试、记录并分析背景振动噪声。4)开展正式测试；根据模态分析结果，试验中每组测试用激振器进行56 0 0 Hz扫频试验，重复3次，并在后续对数据进行平均化处理，以削减随机性等因素对试验的影响；每组试验完成后，处理、检查该组数据，确保各通道数据满足相干性要求。5)依据仿真结果，粒子阻尼器选用粒径为2 mm，填充率为9 5%的铁基粒子。将粒子阻尼器固定在侧墙内表面，布置激振器及试验测点，进行扫频试验，试验中每组测试均重复3次。4.2试验测试结果由于高铁较为关注低频特性，所以通过自谱分析获得测点M1，M 2 和M3所对应的频率范围为5150 H z 的振动加速度和频谱图，如表5和图130.16F(a)(z-s.w)/率0.120.080.04002040 6080100120140频率/Hz0.16(z-s.u)/(忆C0.120.08上肖望强，等：基于粒子阻尼的高速动车组侧墙蒙皮减振研究减幅/%69.4(z-s.w)/率(b)不加阻尼器0.16加粒子阻尼器0.120.080.040020406080100120140频率/Hz不加阻尼器加粒子阻尼器3259所示。图12 部分现场工况图Fig.12Part of the on-site working diagram表55 150 Hz扫频振动测试结果Table 5 5150 Hz frequency sweep vibrationtest results试验工况试验号测点1150.0845600Hz16扫频振动不17加阻尼器均值0.08510.0265600Hz扫2频振动填加3粒子阻尼器均值0.026不加阻尼器加粒子阻尼器m/s2测点2测点30.0880.0780.0850.0890.0850.0910.0890.0270.0270.0270.0250.0280.02769.70.0800.0810.0800.0340.0340.0340.034570.040020406080100120140频率/Hz(a)测点M1振动加速度对比图；(b)测点M2振动加速度对比图；(c)测点M3振动加速度对比图图13各测点振动加速度对比图Fig.13 Comparison chart of vibration acceleration of each measuring point3260由试验结果可以看出，加速度曲线峰值出现频率与模态分析频率结果相近，证明有限元模型的有效性。M1，M 2 和M3各点的振动加速度均值分别减幅6 9%，6 9%和57%，而M1，M 2 和M3各点的各阶峰值也降幅明显，证明了粒子阻尼器针对高铁侧墙蒙皮振动的有效性。5结论1)基于高铁侧墙蒙皮建立了有限元模型，并通过模态分析得到高铁侧墙在不同频率的振型图，得到振幅最大处为车窗与门框附近，并基于模态分析结果中振幅最大处对粒子阻尼器位置进行设计。2)对粒子阻尼器外观进行设计，使其满足安装和工艺需求，且不影响其余部件工作；通过离散元软件建立侧墙系统离散元耗能模型并对不同粒子阻尼器粒子材质、粒子粒径和粒子填充率进行优化，从而得出最优的粒子阻尼器配置。3）搭建试验台，将最优粒子阻尼器配置进行试验，结果表明3个测点振动加速度平均减幅65%，极大程度优化了高铁侧墙的振动特性和噪声特性。4)本文基于动力学分析和离散元方法，引入粒子阻尼器对高铁列车车体侧墙蒙皮进行减振，为高铁减振降噪提供新思路。参考文献：1丁叁叁，陈大伟，刘加利.中国高速列车研发与展望1.力学学报,2 0 2 1,53(1):35-50.DING Sansan,CHEN Dawei,LIU Jiali.Research,development and prospect of China high-speed trainJ.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2021,53(1):35-50.2(GONG Dao,ZHAO Kuo,LIU Guangyu,et al.Modalvibration decomposition method and its application onmulti-mode vibration control of high-speed railway carbodiesJ.Journal of the Franklin Institute,2022,359(10):4699-4726.3时瑾,孙征南，孙宪夫,等.现行350 km/h高铁线路技术条件运营40 0 km/h高速列车适应性研究J.铁道科学与工程学报,2 0 2 0,17(9):2 17 1-2 18 0.铁道科学与工程学报SHI Jin,SUN Zhengnan,SUN Xianfu,et al.Research onthe adaptability of high-speed train running at 400 km/hunder 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