車輛系統(tǒng)的固有特性和結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的研究調(diào)研報告

調(diào)研報告一、課題的來源及意義鐵路是重要的國民經(jīng)濟基礎(chǔ)設(shè)施，是國民經(jīng)濟的大動脈和發(fā)展的基礎(chǔ)，在綜合運輸體系中起重要的作用。而鐵路更是保證我國客運通常的重要運輸方式之一。20世紀90年頭以來，隨著世界鐵路以電氣化和內(nèi)燃化為代表的牽引動力現(xiàn)代化的普遍實現(xiàn)，以及以客運高速、貨運重載為特征的鐵路新時代的來臨，鐵路的發(fā)展取得長足進步。同時隨著鐵路車輛向高速、重載、輕量化方向發(fā)展，對機車車輛的設(shè)計提出了很多新要求，其中振動產(chǎn)生的疲憊、噪聲問題日益嚴峻。振動問題不僅關(guān)系到高速列車運行的平安性，又關(guān)系到列車運行時的乘坐舒適度，而結(jié)構(gòu)的固有特性干脆影響振動和噪聲的品質(zhì)。因此，對車輛系統(tǒng)的固有特性和結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的探討越來越迫切。鐵路機車車輛的各種結(jié)構(gòu)及材料的探討也成為了熱點。機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性稱為模態(tài)。本課題針對鐵路車輛的鋁合金車體結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析。通過對模態(tài)的分析及探討，預料車體在某一頻域內(nèi)各階模態(tài)振型及其頻率，以評定其動態(tài)特性能否滿意設(shè)計要求，進而為不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計供應(yīng)依據(jù)。車體模態(tài)分析主要是預料無阻尼結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型。一方面可以用來預料共振，另一方面可以為進一步的動力學分析做打算。二、模態(tài)分析理論簡介機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性稱為模態(tài)(mode），每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。以振動理論為基礎(chǔ)、以這些模態(tài)參數(shù)為目標的分析方法，稱為模態(tài)分析。更準確地說，模態(tài)分析是探討系統(tǒng)物理參數(shù)模型、模態(tài)參數(shù)模型和非參數(shù)模型的關(guān)系，并通過肯定手段確定這些系統(tǒng)模型的理論及其應(yīng)用的—門學科。振動模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)的固有的、整體的特性，振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析僅是指對一般結(jié)構(gòu)所做的模態(tài)分析。假如通過模態(tài)分析方法搞清晰了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，就可能預言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下實際振動響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)備的故障診斷的重要方法。結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析越來越受到重視。依據(jù)振動結(jié)構(gòu)非線性程度大小，可將系統(tǒng)簡化為線件系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。因而，所進行的系統(tǒng)識別也有線性系統(tǒng)識別和非線性系統(tǒng)識別之分。以往的模態(tài)分析均限于線性系統(tǒng)即線性模態(tài)分析。近幾年來不斷有人提出并探討非線性模態(tài)分析的問題，但遠遠未達到線性模態(tài)分析的成熟地步。由于線性模態(tài)分析在處理非線性系統(tǒng)時存在較大誤差，信任基于作線性振動理論的非線性模態(tài)分析將會越來越得到重視。依據(jù)探討模態(tài)分析的手段和方法不同，模態(tài)分析分為理論模態(tài)分析和試驗模態(tài)分析。理論模態(tài)分析又稱模態(tài)分析的理論過程，是指以線性振動理論為基礎(chǔ)，探討激勵、系統(tǒng)、響應(yīng)三者的關(guān)系。試驗模態(tài)分析又稱模態(tài)分析的試驗過程，是理論模態(tài)分析的逆過程。首先，試驗測得激勵和響應(yīng)的時間歷程，運用數(shù)字信號處理技術(shù)求得頻響函數(shù)(傳遞函數(shù)）或脈沖響應(yīng)函數(shù)，得到系統(tǒng)的非參數(shù)模型；其次，運用參數(shù)識別方法，求得系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)；最終，假如有必要，進一步確定系統(tǒng)的物理參數(shù)。因此，試驗模態(tài)分析是綜合運用線性振動理論、動態(tài)測試技術(shù)、數(shù)字信號處理和參數(shù)識別等手段，進行系統(tǒng)識別的過程。計算模態(tài)分析事實上是一種理論建模過程，主要是運用有限元法對振動結(jié)構(gòu)進行離散．建立系統(tǒng)特征值問題的數(shù)學模型，用各種近似方法求解系統(tǒng)特征值和特征矢量。由于阻尼難以精確處理，因此通常均不考慮小阻尼系統(tǒng)的阻尼，解得的特征值和特征矢量即系統(tǒng)的固有頻率和固有振型矢量。模態(tài)參數(shù)識別是試驗模態(tài)分析的核心。模態(tài)參數(shù)識別已發(fā)展有多種成熟的方法，最常用的方法是基于最小二乘法的曲線擬合法。其含義是，依據(jù)理論模態(tài)分析選擇適當?shù)臄?shù)學模型，使測得的試驗模型與數(shù)學模型之差最小。依據(jù)不同的非參數(shù)模型，模態(tài)參數(shù)識別分為頻域模態(tài)參數(shù)識別和時域模態(tài)參數(shù)識別：以頻響函數(shù)(傳遞函數(shù)）為基礎(chǔ)的參數(shù)識別稱為頻域參數(shù)識別；以時域信號(脈沖響應(yīng)函數(shù)或自由振動響應(yīng)）為基礎(chǔ)的參數(shù)識別稱為時域參數(shù)識別。頻域法已發(fā)展得相當成熟、好用。由于時域法所用設(shè)備簡潔，尤其是可只依據(jù)自由響應(yīng)而無需激勵就可進行參數(shù)識別而受到普遍重視。在識別除振型外的其他模態(tài)參數(shù)時，依據(jù)運用響應(yīng)信號的數(shù)目分為局部識別和整體識別兩種。依據(jù)運用激勵和響應(yīng)的數(shù)目分為單入單出(SISO）識別法、單入多出(SIMO）識別法和多入多出(MIMO）識別法。SISO屬于局部識別，SIMO和MIMO屬于整體識別。在SISO頻域模態(tài)參數(shù)識別中，依據(jù)模態(tài)密集程度不同，可分為單模態(tài)識別和多模態(tài)識別。前者將待識別的各階模態(tài)看作與其他模態(tài)獨立的單自由度系統(tǒng)，適于阻尼較小、模態(tài)較分散的情形；后者將待識別的幾階模態(tài)看作耦合的，并考慮擬合頻段以外的模態(tài)影響。對于阻尼較大、模態(tài)較密集的狀況，必需用多模態(tài)參數(shù)識別法。在模態(tài)分析中，阻尼是一個較難處理的問題。依據(jù)結(jié)構(gòu)性質(zhì)不同，常用到粘性比例阻尼、一般粘性阻尼、結(jié)構(gòu)比例阻尼與結(jié)構(gòu)阻尼四種阻尼模型。在不同阻尼模型下，振動系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的性質(zhì)不同。依據(jù)模態(tài)矢量是實矢量還是復矢量，振動系統(tǒng)分為實模態(tài)系統(tǒng)和復模態(tài)系統(tǒng)。無阻尼和比例阻尼系統(tǒng)屬于實模態(tài)系統(tǒng)，而結(jié)構(gòu)阻尼和一般粘性阻尼系統(tǒng)屬于復模態(tài)系統(tǒng)。因此，對應(yīng)系統(tǒng)的模態(tài)分析有實模態(tài)分析和復模態(tài)分析兩種。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，模態(tài)分析已經(jīng)成為振動工程中一個重要的分支。早在20世紀四五十年頭，在航空工業(yè)中就采納共振試驗確定系統(tǒng)的固有頻率。60年頭，發(fā)展了多點單相正弦激振、正弦多頻單點激勵，通過調(diào)力調(diào)頻分別模態(tài)，制造出商用模擬式頻響函數(shù)分析儀。隨著數(shù)字式動態(tài)測試技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，使得以單入單出及單入多出為基礎(chǔ)識別方式的模態(tài)分析技術(shù)普及到各個工業(yè)領(lǐng)域，模態(tài)分析得到快速發(fā)展日趨成熟，商用數(shù)字分析儀及軟件大量出現(xiàn)。80年頭后期，主要是多入多出隨機微振技術(shù)和識別技術(shù)得到發(fā)展。80年頭中期至90年頭，模態(tài)分析在各個工程領(lǐng)域得到普及和深層次應(yīng)用，在結(jié)構(gòu)性能評價、結(jié)構(gòu)動態(tài)修改和動態(tài)設(shè)計、故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測以及聲控分析等方面的探討異樣活躍，尤其是基于有限單元法FEM（FiniteElementMethod）的計算模態(tài)分析法、試驗模態(tài)分析法EMA（ExperimentalModalAnalysis）和最優(yōu)限制理論的結(jié)構(gòu)動態(tài)修改和動態(tài)設(shè)計，取得了豐碩的探討成果。目前，模態(tài)分析技術(shù)在我國已成為一門重要工程技術(shù)，而不僅僅是探討單位從事探討的理論課題。三、基于有限元單元法的計算模態(tài)分析法n個自由度比例阻尼系統(tǒng)的運動微分方程為:=1\*GB2⑴式中，為系統(tǒng)的n×n階質(zhì)量矩陣；為系統(tǒng)的n×n階阻尼矩陣；為系統(tǒng)的n×n階剛度矩陣;、、分別為系統(tǒng)的位移、速度和加速度響應(yīng)列向量，均為n階;為n階動態(tài)載荷列向量.在求解系統(tǒng)固有頻率和固有振型時，可不考慮阻尼的影響，則系統(tǒng)的自由振動方程為:=2\*GB2⑵它的解可以假設(shè)為=3\*GB2⑶式中，是n階向量，是向量的振動頻率，是時間變量，是由初始條件確定的時間常數(shù).將式(3）代入式(2），就成為求廣義特征值的問題:=4\*GB2⑷解以上方程可以確定和，結(jié)果得到n個特征解(，），(，），....，(，），其中特征值，，...，代表系統(tǒng)的n個固有頻率，并有0≤<<....<，特征向量，，...，，代表系統(tǒng)的n個固有振型。結(jié)構(gòu)振型展示了結(jié)構(gòu)固有振動形態(tài)。通過分析振型，易于找出結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，判別產(chǎn)生振動的緣由。因此，振型分析有利于在車體設(shè)計階段預料其動態(tài)特性，為車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化和疲憊強度校核供應(yīng)理論依據(jù)。在一般的有限元分析中，系統(tǒng)的自由度很多，但在探討系統(tǒng)的響應(yīng)時，往往只須要了解少數(shù)較低的特征值及相應(yīng)的特征向量，因此在有限元分析中，發(fā)展了一些適應(yīng)上述特點的效率較高的解法，目前應(yīng)用較廣泛的是子空間迭代法、Ritz向量干脆疊加法和Lanczos向量干脆疊加法.子空間迭代法是求解大型矩陣特征值問題的最常用的有效方法之一，適合于求解部分特征解，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)動力學的有限元分析中。為保證新設(shè)計機車車體在運行中具有良好的車體結(jié)構(gòu)振動特性，須要依據(jù)該機車初步設(shè)計的車體結(jié)構(gòu)，建立具體的車體的有限元力學模型。機車車體本身的剛度并不大，其前六階模態(tài)能夠影響機車的動力學性能，在建立有限元力學模型時考慮彈性模態(tài)的影響，可以設(shè)計出良好的振動特性。四、結(jié)構(gòu)動力學特性分析的試驗模態(tài)分析法試驗模態(tài)分析是以振動理論、信號處理技術(shù)和振動測量方法為基礎(chǔ)，從所測得的輸入、輸出信息中去辨識結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)(主要包含振動頻率、阻尼系數(shù)、振型等）。近幾年來，試驗模態(tài)分析技術(shù)發(fā)展很快，各種測試手段日益更新，模態(tài)參數(shù)識別軟件也層出不窮，這為獲得較為精確的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)帶來極大便利。在進行結(jié)構(gòu)件模態(tài)試驗時，首先要確定被測物體的固定方式。固定方式一般有兩種:一種是依據(jù)其實際工作狀態(tài)的方式進行約束，這種固定方式主要是用于結(jié)構(gòu)較大的部件或在振動臺上進行試驗；二是懸吊式，即采納軟繩把被試物品懸吊起來，使其處于自由狀態(tài)下進行試驗。結(jié)構(gòu)處于自由狀態(tài)具有最多的自由度，這樣得到的模態(tài)參數(shù)便于與其他部件一起進行整體結(jié)構(gòu)的綜合模態(tài)分析。激振方法的選擇包括兩方面內(nèi)容:一是采納什么樣的激振信號；二是采納單點激振(SIMO）還是多點激振(MIMO）。這其中的關(guān)鍵在于激振源是否能夠供應(yīng)足夠的能量，把須要的頻段中的模態(tài)全部激發(fā)出來。激勵信號可采納隨機信號、脈沖信號、正弦掃頻信號等。用錘擊法供應(yīng)脈沖信號的優(yōu)點是設(shè)備簡潔，不須要細心設(shè)計安裝激振器的夾具，便于現(xiàn)場測試，由于激振器不與被試物品相連，不影響被試物品的動態(tài)特性；同時，激振點可以敏捷選取，敲擊力的方向可以隨意；測試精度能滿意肯定要求，且高于隨機激勵的測試精度。缺點是激振力頻率范圍不易限制，僅適合于低頻，對于高頻模態(tài)則不易激出來；由于振動能量分散，從而信噪比小另外錘擊有時可能連擊和過載，造成結(jié)構(gòu)不是單次激勵和進入非線性范圍。這須要試驗人員具有較豐富的閱歷以及在試驗之前進行多次的測試，限制好錘擊力度。模態(tài)分析的頻域法有兩種:單點激振法和多點激振法。多點激振法須要昂貴的多點激振設(shè)備，試驗過程困難，但計算比較簡潔；單點激振法所需設(shè)備簡潔，試驗也較簡潔，但計算方法要困難些。試驗頻段的選擇應(yīng)考慮機車車體在運行條件下可能的激振頻率范圍。通常認為，遠離振源頻帶的模態(tài)對結(jié)構(gòu)的實際振動影響(貢獻量）較小。事實上，高頻模態(tài)貢獻的大小，除與激振頻率有關(guān)外，還與激振力的分布狀況有關(guān)。此外，為使整體模態(tài)具有更高的精確度，部件模態(tài)試驗的頻段也應(yīng)適當放寬，以求得較多的模態(tài)階次。測點布置的原則是:測點應(yīng)布置在結(jié)構(gòu)支點、梁連接點和剛度變更較顯著的點上；且盡可能布點勻稱，左右對稱。測點布置、測點數(shù)量的選擇還應(yīng)考慮到以下兩方面的要求。一是能夠明確顯示在試驗頻段內(nèi)全部模態(tài)的基本特征及相互間的區(qū)分；保證所關(guān)切的結(jié)構(gòu)點(如與其它結(jié)構(gòu)的連接點）都在所選的測量點之中。二是為提高信噪比，測點不應(yīng)選在各階振型節(jié)點旁邊。試驗采納壓電式加速度傳感器測量各測點在垂直于其平面方向上的振動加速度響應(yīng)，現(xiàn)場采集信號，實時處理得到頻響函數(shù)。測振時加速度計安裝正確與否對測量結(jié)果的正確性有很大的影響。安裝方式多種多樣，把測點表面清除干凈后用502膠把傳感器粘結(jié)在金屬的表面，可確保傳感器安裝定位牢靠、方向精確。另外也可以利用磁性吸盤的方式把傳感器吸附在金屬結(jié)構(gòu)的表面(此時要留意對吸附的面進行清理，保證吸附牢靠）。五、探討目標和內(nèi)容本課題針對鋁合金車體的模態(tài)進行分析。車體模態(tài)分析主要是預料無阻尼結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型，一方面可以用來預料共振，另一方面可以為進一步的動力學分析做打算。對于無阻尼結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型的分析主要取決于：（1）結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與分布；（2）結(jié)構(gòu)的剛度。通過變更這兩項參數(shù)并對一些結(jié)構(gòu)模擬單元形式的變更，來查看多項參數(shù)或單元類型對結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響，同時進行定性分析，給出相應(yīng)結(jié)論。探討方法和手段本課題現(xiàn)有多種鋁合金車體結(jié)構(gòu)的各零件圖及三維幾何模型；基于困難材料的有限元法基本原理；有相關(guān)的參考文獻和碩士、博士論文作為參考。應(yīng)用現(xiàn)有的有限元前處理軟件HyperMesh和分析軟件ANSYS對主要部件進行二維及三維建模劃分網(wǎng)格。七、進度支配時間工作支配第1周—第2周查閱鋁合金車體模態(tài)相關(guān)的資料（包括圖紙），駕馭該連接結(jié)構(gòu)的基本要求、用途以及工作狀況，完成開題報告第3周查找課題相關(guān)外文資料并完成外文翻譯第4周—第5周通過相關(guān)教材、幫助文件學習軟件，能夠嫻熟運用相關(guān)軟件：HyperMesh、ANSYS，能夠做一些網(wǎng)格劃分及有限元分析的小例子第6周—第8周應(yīng)用hypermesh軟件對主要部件進行二維及三維建模劃分網(wǎng)格