調(diào)研報(bào)告一、課題的來源及意義鐵路是重要的國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施，是國民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈和發(fā)展的基礎(chǔ)，在綜合運(yùn)輸體系中起重要的作用。而鐵路更是保證我國客運(yùn)通常的重要運(yùn)輸方式之一。20世紀(jì)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(dòng)力現(xiàn)代化的普遍實(shí)現(xiàn)，以及以客運(yùn)高速、貨運(yùn)重載為特征的鐵路新時(shí)代的來臨，鐵路的發(fā)展取得長足進(jìn)步。同時(shí)隨著鐵路車輛向高速、重載、輕量化方向發(fā)展，對(duì)機(jī)車車輛的設(shè)計(jì)提出了很多新要求，其中振動(dòng)產(chǎn)生的疲憊、噪聲問題日益嚴(yán)峻。振動(dòng)問題不僅關(guān)系到高速列車運(yùn)行的平安性，又關(guān)系到列車運(yùn)行時(shí)的乘坐舒適度，而結(jié)構(gòu)的固有特性干脆影響振動(dòng)和噪聲的品質(zhì)。因此，對(duì)車輛系統(tǒng)的固有特性和結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的探討越來越迫切。鐵路機(jī)車車輛的各種結(jié)構(gòu)及材料的探討也成為了熱點(diǎn)。機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性稱為模態(tài)。本課題針對(duì)鐵路車輛的鋁合金車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。通過對(duì)模態(tài)的分析及探討，預(yù)料車體在某一頻域內(nèi)各階模態(tài)振型及其頻率，以評(píng)定其動(dòng)態(tài)特性能否滿意設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而為不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)供應(yīng)依據(jù)。車體模態(tài)分析主要是預(yù)料無阻尼結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型。一方面可以用來預(yù)料共振，另一方面可以為進(jìn)一步的動(dòng)力學(xué)分析做打算。二、模態(tài)分析理論簡介機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性稱為模態(tài)(mode），每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)、以這些模態(tài)參數(shù)為目標(biāo)的分析方法，稱為模態(tài)分析。更準(zhǔn)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(xué)科。振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)的固有的、整體的特性，振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析僅是指對(duì)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(yù)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(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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(dòng)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(jìn)行的系統(tǒng)識(shí)別也有線性系統(tǒng)識(shí)別和非線性系統(tǒng)識(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)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(shí)存在較大誤差，信任基于作線性振動(dòng)理論的非線性模態(tài)分析將會(huì)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(yàn)?zāi)B(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(dòng)理論為基礎(chǔ)，探討激勵(lì)、系統(tǒng)、響應(yīng)三者的關(guān)系。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析又稱模態(tài)分析的試驗(yàn)過程，是理論模態(tài)分析的逆過程。首先，試驗(yàn)測(cè)得激勵(lì)和響應(yīng)的時(shí)間歷程，運(yùn)用數(shù)字信號(hào)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(yùn)用參數(shù)識(shí)別方法，求得系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)；最終，假如有必要，進(jìn)一步確定系統(tǒng)的物理參數(shù)。因此，試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是綜合運(yùn)用線性振動(dòng)理論、動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理和參數(shù)識(shí)別等手段，進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別的過程。計(jì)算模態(tài)分析事實(shí)上是一種理論建模過程，主要是運(yùn)用有限元法對(duì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散．建立系統(tǒng)特征值問題的數(shù)學(xué)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(shí)別是試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的核心。模態(tài)參數(shù)識(shí)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(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，使測(cè)得的試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c數(shù)學(xué)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(shí)別分為頻域模態(tài)參數(shù)識(shí)別和時(shí)域模態(tài)參數(shù)識(shí)別：以頻響函數(shù)(傳遞函數(shù)）為基礎(chǔ)的參數(shù)識(shí)別稱為頻域參數(shù)識(shí)別；以時(shí)域信號(hào)(脈沖響應(yīng)函數(shù)或自由振動(dòng)響應(yīng)）為基礎(chǔ)的參數(shù)識(shí)別稱為時(shí)域參數(shù)識(shí)別。頻域法已發(fā)展得相當(dāng)成熟、好用。由于時(shí)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(lì)就可進(jìn)行參數(shù)識(shí)別而受到普遍重視。在識(shí)別除振型外的其他模態(tài)參數(shù)時(shí)，依據(jù)運(yùn)用響應(yīng)信號(hào)的數(shù)目分為局部識(shí)別和整體識(shí)別兩種。依據(jù)運(yùn)用激勵(lì)和響應(yīng)的數(shù)目分為單入單出(SISO）識(shí)別法、單入多出(SIMO）識(shí)別法和多入多出(MIMO）識(shí)別法。SISO屬于局部識(shí)別，SIMO和MIMO屬于整體識(shí)別。在SISO頻域模態(tài)參數(shù)識(shí)別中，依據(jù)模態(tài)密集程度不同，可分為單模態(tài)識(shí)別和多模態(tài)識(shí)別。前者將待識(shí)別的各階模態(tài)看作與其他模態(tài)獨(dú)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(shí)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(duì)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(shí)別法。在模態(tài)分析中，阻尼是一個(gè)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(dòng)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(shí)矢量還是復(fù)矢量，振動(dòng)系統(tǒng)分為實(shí)模態(tài)系統(tǒng)和復(fù)模態(tài)系統(tǒng)。無阻尼和比例阻尼系統(tǒng)屬于實(shí)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(fù)模態(tài)系統(tǒng)。因此，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的模態(tài)分析有實(shí)模態(tài)分析和復(fù)模態(tài)分析兩種。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，模態(tài)分析已經(jīng)成為振動(dòng)工程中一個(gè)重要的分支。早在20世紀(jì)四五十年頭，在航空工業(yè)中就采納共振試驗(yàn)確定系統(tǒng)的固有頻率。60年頭，發(fā)展了多點(diǎn)單相正弦激振、正弦多頻單點(diǎn)激勵(lì)，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(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(shí)別方式的模態(tài)分析技術(shù)普及到各個(gè)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(jī)微振技術(shù)和識(shí)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(gè)工程領(lǐng)域得到普及和深層次應(yīng)用，在結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)修改和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(jì)算模態(tài)分析法、試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法EMA（ExperimentalModalAnalysis）和最優(yōu)限制理論的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)修改和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，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(jì)算模態(tài)分析法n個(gè)自由度比例阻尼系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)載荷列向量.在求解系統(tǒng)固有頻率和固有振型時(shí)，可不考慮阻尼的影響，則系統(tǒng)的自由振動(dòng)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(dòng)頻率，是時(shí)間變量，是由初始條件確定的時(shí)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(gè)特征解(，），(，），....，(，），其中特征值，，...，代表系統(tǒng)的n個(gè)固有頻率，并有0≤<<....<，特征向量，，...，，代表系統(tǒng)的n個(gè)固有振型。結(jié)構(gòu)振型展示了結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)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(dòng)的緣由。因此，振型分析有利于在車體設(shè)計(jì)階段預(yù)料其動(dòng)態(tài)特性，為車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化和疲憊強(qiáng)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(shí)，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(diǎn)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(dòng)力學(xué)的有限元分析中。為保證新設(shè)計(jì)機(jī)車車體在運(yùn)行中具有良好的車體結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，須要依據(jù)該機(jī)車初步設(shè)計(jì)的車體結(jié)構(gòu)，建立具體的車體的有限元力學(xué)模型。機(jī)車車體本身的剛度并不大，其前六階模態(tài)能夠影響機(jī)車的動(dòng)力學(xué)性能，在建立有限元力學(xué)模型時(shí)考慮彈性模態(tài)的影響，可以設(shè)計(jì)出良好的振動(dòng)特性。四、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性分析的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是以振動(dòng)理論、信號(hào)處理技術(shù)和振動(dòng)測(cè)量方法為基礎(chǔ)，從所測(cè)得的輸入、輸出信息中去辨識(shí)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)(主要包含振動(dòng)頻率、阻尼系數(shù)、振型等）。近幾年來，試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)發(fā)展很快，各種測(cè)試手段日益更新，模態(tài)參數(shù)識(shí)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(jìn)行結(jié)構(gòu)件模態(tài)試驗(yàn)時(shí)，首先要確定被測(cè)物體的固定方式。固定方式一般有兩種:一種是依據(jù)其實(shí)際工作狀態(tài)的方式進(jìn)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(dòng)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)；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(jìn)行試驗(yàn)。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(jìn)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(hào)；二是采納單點(diǎn)激振(SIMO）還是多點(diǎn)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(lì)信號(hào)可采納隨機(jī)信號(hào)、脈沖信號(hào)、正弦掃頻信號(hào)等。用錘擊法供應(yīng)脈沖信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡潔，不須要細(xì)心設(shè)計(jì)安裝激振器的夾具，便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，由于激振器不與被試物品相連，不影響被試物品的動(dòng)態(tài)特性；同時(shí)，激振點(diǎn)可以敏捷選取，敲擊力的方向可以隨意；測(cè)試精度能滿意肯定要求，且高于隨機(jī)激勵(lì)的測(cè)試精度。缺點(diǎn)是激振力頻率范圍不易限制，僅適合于低頻，對(duì)于高頻模態(tài)則不易激出來；由于振動(dòng)能量分散，從而信噪比小另外錘擊有時(shí)可能連擊和過載，造成結(jié)構(gòu)不是單次激勵(lì)和進(jìn)入非線性范圍。這須要試驗(yàn)人員具有較豐富的閱歷以及在試驗(yàn)之前進(jìn)行多次的測(cè)試，限制好錘擊力度。模態(tài)分析的頻域法有兩種:單點(diǎn)激振法和多點(diǎn)激振法。多點(diǎn)激振法須要昂貴的多點(diǎn)激振設(shè)備，試驗(yàn)過程困難，但計(jì)算比較簡潔；單點(diǎn)激振法所需設(shè)備簡潔，試驗(yàn)也較簡潔，但計(jì)算方法要困難些。試驗(yàn)頻段的選擇應(yīng)考慮機(jī)車車體在運(yùn)行條件下可能的激振頻率范圍。通常認(rèn)為，遠(yuǎn)離振源頻帶的模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際振動(dòng)影響(貢獻(xiàn)量）較小。事實(shí)上，高頻模態(tài)貢獻(xiàn)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(yàn)的頻段也應(yīng)適當(dāng)放寬，以求得較多的模態(tài)階次。測(cè)點(diǎn)布置的原則是:測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在結(jié)構(gòu)支點(diǎn)、梁連接點(diǎn)和剛度變更較顯著的點(diǎn)上；且盡可能布點(diǎn)勻稱，左右對(duì)稱。測(cè)點(diǎn)布置、測(cè)點(diǎn)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(yàn)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(diǎn)(如與其它結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)）都在所選的測(cè)量點(diǎn)之中。二是為提高信噪比，測(cè)點(diǎn)不應(yīng)選在各階振型節(jié)點(diǎn)旁邊。試驗(yàn)采納壓電式加速度傳感器測(cè)量各測(cè)點(diǎn)在垂直于其平面方向上的振動(dòng)加速度響應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)，實(shí)時(shí)處理得到頻響函數(shù)。測(cè)振時(shí)加速度計(jì)安裝正確與否對(duì)測(cè)量結(jié)果的正確性有很大的影響。安裝方式多種多樣，把測(cè)點(diǎn)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(shí)要留意對(duì)吸附的面進(jìn)行清理，保證吸附牢靠）。五、探討目標(biāo)和內(nèi)容本課題針對(duì)鋁合金車體的模態(tài)進(jìn)行分析。車體模態(tài)分析主要是預(yù)料無阻尼結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型，一方面可以用來預(yù)料共振，另一方面可以為進(jìn)一步的動(dòng)力學(xué)分析做打算。對(duì)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(xiàng)參數(shù)并對(duì)一些結(jié)構(gòu)模擬單元形式的變更，來查看多項(xiàng)參數(shù)或單元類型對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響，同時(shí)進(jìn)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(xiàn)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(duì)主要部件進(jìn)行二維及三維建模劃分網(wǎng)格。七、進(jìn)度支配時(shí)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(bào)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(xué)習(xí)軟件，能夠嫻熟運(yùn)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(duì)主要部件進(jìn)行二維及三維建模劃分網(wǎng)格