基于ANSYS的地铁车辆振动特性分析_吴仲刘
基于ANSYS Workbench城市轨道交通车辆轴承力学特性仿真分析
166总478期2018年第28期（10月 上）0 引言城市轨道车辆用轴承作为城市轨道车辆行走装置重要组成部分，其性能的好坏及故障的多少直接决定车辆安全及使用寿命，因此对其进行研究显得尤为必要[1]。
为了改善轨道车辆轴承力学及疲劳寿命特性，卢桂云等[2]研制了轨道交通车辆轮对轴承内外圈全自动抛光除锈机；刘志亮等[3]对轨道车辆故障诊断进展进行研究和分析。
本文以某型轨道交通车辆轴承为研究对象，对其力学性能进行仿真分析，为进一步设计可靠性好、传动精度高、承载能力强，疲劳寿命强、振动噪声小的轨道交通车辆轴承提供理论依据。
1 有限元仿真模型建立1.1 轴承几何模型建立以某型轨道交通车辆双节圆锥滚子轴承为研究对象，其主要参数如表1所示。
表1 轴承参数结构参数参数值轴承宽度160mm 轴承内径130mm 轴承外径240mm 圆锥滚子大端直径26.85mm 圆锥滚子小端直径25.55mm 圆锥滚子长度50圆锥滚子数量34基于SOLIDWORKS 建立其各零部件三维模型，并进行装配，为清晰显示轨道交通车辆轴承内部结构，截取轨道交通轴承的1/2部分模型如图1所示，由图1城市轨道交通轴承几何模型可知，城市轨道交通轴承为双节圆锥滚子轴承，其主要由轴承内圈、圆锥滚子、隔套及轴承外圈等主要零部件组成。
1.2 材料参数选取及有限元网格划分选取城市轨道交通轴承双节圆锥滚子材料为GCr15轴承钢，城市轨道交通轴承内、外圈及隔套为45#钢，其材料参数如表2所示。
表2 材料参数部件名称密度（kg/m 3）弹性模量（GPa ）泊松比内、外圈及隔套78002030.28圆锥滚子78502070.32根据表2中的材料参数，运用有限元分析软件ANSYS Workbench 的建立城市轨道交通轴承有限元分析模型。
对模型进行网格划分，建立的有限元网格模型如图2所示。
由图2城市轨道车辆有限元网格模型可知，网格模型中共计144467个单元，258066个节点。
轨道交通系统的振动特性与优化设计研究
轨道交通系统的振动特性与优化设计研究一、引言随着城市化进程的加速，轨道交通系统越来越成为人们出行的首选。
然而，运行中的轨道交通系统所产生的振动问题也成为一个需要解决的关键技术。
本文将探讨轨道交通系统的振动特性以及优化设计的研究。
二、轨道交通系统的振动特性分析1. 基础知识介绍振动是物体在受到外力或受到激励后产生的周期性运动。
轨道交通系统的振动问题是指列车在运行过程中与轨道、车体之间的相互影响导致的振动现象。
2. 车辆振动对乘客的影响轨道交通系统的振动会对乘客的乘车体验产生重要影响。
过大的振动会引起乘客的不适甚至引发相关的健康问题。
因此，研究轨道交通系统的振动特性对提高乘客的舒适感至关重要。
3. 轨道振动的原因与影响因素轨道振动是指轨道受到列车载荷后所产生的振动现象。
轨道的弯曲、松散的连接点以及不平整表面都会导致轨道的振动。
此外，轨道的振动还受到列车速度、车厢质量以及轨道材质等因素的影响。
4. 车体振动的原因与影响因素车体振动是指列车运行过程中车辆本身受到的振动。
车体振动的原因主要有车轮与轨道的摩擦、车辆自身结构的不稳定性以及行车过程中的其他外力因素所引起。
车辆的振动特性会直接影响乘客的乘车体验。
三、轨道交通系统的优化设计1. 轨道优化设计通过优化轨道的结构与材料，可以有效减少轨道振动的发生。
例如，采用高强度、低振动的轨道材料可以提高轨道的稳定性。
此外，合理的轨道曲线设计与连接点的处理也能够降低轨道振动。
2. 车体优化设计车体的优化设计是减少车体振动的重要途径。
通过采用更稳定的车身结构、减小车辆重心以及采用减振装置等措施，可以有效降低车体振动对乘客的影响。
3. 降低速度与负载高速运行以及超载都会对轨道交通系统的振动产生显著影响。
因此，为了提高轨道交通系统的振动稳定性，适当降低列车的运行速度和负载是非常必要的。
此举不仅能减小振动的幅度，还能提高乘客的舒适感。
4. 定期维护与检测对轨道交通系统进行定期的维护和检测，可以及时发现并解决振动问题。
不同减振轨道上地铁车辆动力学性能探讨研究
不同减振轨道上地铁车辆动力学性能探讨研究摘要：随着城市轨道交通的不断发展，地铁车辆在不同减震轨道上的动力学性能对于提高乘客舒适度、保障运营安全和优化车辆设计具有重要意义。
城市轨道交通在现代社会中扮演了越来越重要的角色。
地铁车辆作为城市轨道交通的核心部分，其动力学性能对于运营安全和乘客体验具有重要影响。
本文将对地铁车辆在不同减震轨道上的动力学性能进行分析，以期为优化车辆设计和提高运营效率提供指导。
关键词：减震轨道；地铁；动力学性能为了对地铁车辆在不同减震轨道上的动力学性能进行分析，需要收集不同类型的减震轨道数据。
本文将介绍减震轨道数据的收集方法，包括轨道不平顺数据、道床类型数据和减震器类型数据等。
为了确保优化后的地铁车辆动力学性能满足实际运营需求，需要对优化设计方案进行验证与测试。
一、不同减振轨道上地铁车辆动力学性能分析的重要性通过分析地铁车辆在不同减震轨道上的动力学性能，可以优化悬挂系统和减震系统，降低车辆的振动和噪音，提高乘客的舒适度。
动力学性能分析有助于发现地铁车辆在不同减震轨道上可能出现的安全隐患，从而采取相应措施提高行车安全。
通过对不同减震轨道上地铁车辆动力学性能的分析，可以优化车辆参数和结构，提高车辆性能，降低制造成本和维护保养费用。
地铁线路可能穿越各种不同的地形和地质条件，导致减震轨道类型多样化。
通过动力学性能分析，可以确保地铁车辆在不同减震轨道上都能正常行驶，提高线路适应性。
优化地铁车辆动力学性能有助于降低车辆的能耗，提高能源利用效率，减少环境污染。
地铁车辆动力学性能分析为减震轨道设计和建设提供了理论支持和优化依据，有助于提高基础设施建设的质量和效率[1]。
二、不同减振轨道上地铁车辆动力学性能分析策略（一）建立地铁车辆动力学模型建立地铁车辆动力学模型是一个复杂的过程，需要结合多个学科领域的知识，包括机械工程、车辆工程、动力学、控制理论等。
车辆系统模型主要包括地铁车辆的基本信息，如质量、转动惯量、轴距等，以及地铁车辆的结构参数，如车体、转向架、牵引设备等。
地铁列车振动环境响应低频特征的分析与的研究
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ ｄｕｅ ｔｏ ｍｅｔｒｏ ｔｒａｉｎｓ．Ｈｏｗ ｔｏ ａｄｏｐｔ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ
ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｏ ｍｉｎｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ ｉｓ ａｎ
感谢北京迈达斯技术有限公司桂满树总经理、邱顺冬总经理、高德志总经理、 金红梅经理、赵翔工程师、刘井学工程师及其他同事在学习中给予的技术支持和 帮助。
衷心感谢各位专家、教授在百忙之中对我的论文的审阅与指正！ 向所有关心和帮助过我的人们致以衷心的感谢！ 最后，特别感谢我勤劳善良的父母，感谢他们这么多年来含辛茹苦、一如既 往地支持我读书求学！感谢我的妻子叶珂珂女士，她的关心、理解和支持使我能 够专心完成我的学业。
感谢张宝才博士后、李兴高博士后、张昀青博士、何海建博士、王霆博士、 刘卫丰博士、孙晓静博士、贾颖绚博士、李克飞博士、王文斌博士、马蒙博士、 张厚贵博士、张新金博士、翟辉硕士、谢达文硕士、苏字硕士、陈瑞春硕士、范 欢硕士等师兄弟妹给予的关心和帮助。感谢李志强博士、栗润德博士、王子辉博 士、周爱红博士、沈宇鹏博士、Ｇｅｅｒｔ Ｌｏｍｂａｅｒｔ博士、Ｓｈａｓｈａｎｋ Ｇｕｐｔａ博士等在求 学过程中给予的帮助支持。
１９４０７６９
劣参京交
轨道交通系统的振动特性与优化设计研究
轨道交通系统的振动特性与优化设计研究近年来，城市发展迅猛，轨道交通作为城市交通的重要组成部分，其建设和运营逐渐受到人们的关注。
轨道交通系统的振动特性与优化设计是保障乘客出行安全和提升出行舒适度的关键。
本文将探讨轨道交通系统的振动特性以及如何进行优化设计。
一、轨道交通系统的振动特性轨道交通系统的振动特性主要包括列车运行引起的动力振动和轨道系统自身引起的固有振动。
列车运行引起的动力振动是由列车的加速度和制动产生的，而轨道系统自身引起的固有振动则是由轨道的几何形状和材料性能引起的。
动力振动主要表现在列车运行时的颠簸和震动上，这与列车的加速度、速度和制动力等因素有关。
列车在加速和减速过程中，会产生较大的冲击力，从而导致列车和轨道系统发生共振，使得乘客感到不适甚至危险。
因此，减小列车的动力振动非常重要。
固有振动主要表现在轨道系统的曲率、横向力和垂直力上。
由于工程施工、运输车辆等原因，轨道系统的几何形状可能会有偏差，造成列车在行驶过程中的颠簸。
另外，横向力和垂直力也会引起轨道系统的振动。
因此，优化轨道系统的几何形状以及控制横向力和垂直力，能够有效降低轨道系统的固有振动。
二、轨道交通系统振动的影响因素轨道交通系统的振动受到多种因素的影响，主要包括列车速度、轨道结构、轨道材料、车辆设计等。
其中，列车速度是影响轨道交通系统振动的主要因素之一。
列车速度越快，对轨道和车辆的振动影响越大。
因此，在设计和修建轨道交通系统时，需要综合考虑列车速度和轨道和车辆的振动特性。
另外，轨道结构和轨道材料也对轨道交通系统的振动特性有着重要影响。
轨道结构的几何形状对于列车的颠簸和震动有直接影响，而轨道材料的性能则影响着列车在轨道上行驶时的振动情况。
因此，在轨道系统的设计中，需要有针对性地选择合适的轨道结构和轨道材料，以降低列车的振动。
车辆设计也是影响轨道交通系统振动的重要因素。
车辆的结构和悬挂系统会对列车的振动特性产生重要影响。
因此，在车辆设计过程中，需要考虑到列车的减振和隔振性能，以降低列车引起的振动。
基于ANSYSLS-DYNA的铁路货车缺陷轴承振动特性研究
基于ANSYS/LS-DYNA 的铁路货车缺陷轴承振动特性研究Study of the vibration characteristics on the defect bearing of railway freight based on ANSYS/lS-DYNA朱爱华1，朱成九2ZHU Ai-hua 1, ZHU Cheng-jiu 2（1.华东交通大学 机电工程学院，南昌 330013；2.华东交通大学 土木工程学院，南昌 330013）摘 要：基于ANSyS/LS-DyNA显式动力学，研究轴承有点缺陷时对轴承振动特性的影响，建立了轴承主要元件如内、外圈及滚子的点缺陷模型并进行动力学仿真分析，通过提取正常轴承和有点缺陷轴承运行时内圈滚道节点y方向的加速度曲线，进行轴承振动信号时域分析，得出主要元件有点缺陷时轴承的振动特征。
研究表明峰值、均值、方差、峭度指标、峰值指标和裕度指标可以作为滚子点缺陷的判断指标；方差均值比可以作为内圈点缺陷的判断指标；均方根值、方根幅值、方差、峭度指标、脉冲指标、峰值指标和裕度指标可以作为外圈点缺陷的判断依据。
关键词：铁路缺陷轴承；显式动力学；加速度；时域分析中图分类号：TH133.3 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2015)12(下)-0019-04Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2015.24.06收稿日期：2015-08-06基金项目：国家自然科学基金资助项目（11302077；51268016）作者简介：朱爱华（1964 -），女，江西临川人，副教授，本科，研究方向为轴承设计及研究。
0 引言20世纪60年代以来，我国就已经开展对滚动轴承振动和噪声的研究[1～4]。
刘寿祥等通过对LM11949/10、NU211等轴承零件作单因素交叉试验和对国外同型号产品振动对比分析，找出了圆锥滚子轴承各零件对轴承振动的影响规律，得出滚子波纹度是影响轴承振动加速度和振动速度高频档的主要因素[5]。
基于ANSYS的多轴汽车振动响应分析
ｍｕ ｌ ｔ ｉ － ａ ｘ ｌ ｅ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｃ ｉ ｒ ｂ ｅ ｄ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｗｉ ｈ ｔ ｈｅ ｔ ｉ ｎ ｐ ｕ ｔ ｏ ｆ ｒ ｏ ａ ｄ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｎ ｅ ｓ ｓ ，ａ ７ － ＤＯＦ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｗａ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ｂ ｙ ｍｅ ａ ｎ ｓ ｏ ｆ ＡＮＳ ＹＳ ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｍｕ ｌ ｔ ｉ － ｂ ｏ ｄ ｙ ｄ ｎ ａ ｙ ｍ ｉ ｃ ｓ ｐ ｉｎ ｒ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ． Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｈｅ ｔ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ’ Ｓ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｗｉ ｈ ｔ ｔ ｈ ｅ
１ Ｏ ６
基于Ａ ＮＳ ＹＳ 的 多轴汽 车振 动 响应 分 析
２ ０ １ ３ 年１ ２ 月
文章 编 号 ： １ ０ ０ ６ ． １ ３ ５ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ — ０ １ ０ ６ 文锋 ，左言言 ，周 帅利
（ 江苏大学 振动噪声研究所，江苏 镇 江 ２ １ ２ ０ １ ３）
（ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｎｏ ｉ ｓ ｅ ａ ｎ ｄ Ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｚ ｈ ｅ ｎ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ２ １ ２ ０ １ ３ ，Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ｉ ｎ ｌ ｆ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｄ ｂ ｙ ｈｅ ｔ ｉｒ ｆ ｓ ｔ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｎ ａ ￣ ａ ｌ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｎｄ ａ ａ ｔ一 ２ ｍ～４ ｍ ｌ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｍａ ｉ ｎ ｌ ｙ ａ ｆｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｈｅ ｔ ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｎ ａ ￣ ａ ｌ ｒｅ ｆ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ． Ｅｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｌ ｙ ａ ｔ ｈｅ ｔ ｒ ｅ ｒ ａ ｅ ｎ ｄ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ｒ ｕ ｎ ｇ ｍａ ｓ ｓ ， ｈｅ ｔ ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｎ ａ ￣ ａ ｌ ｒｅ ｆ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｓ ｔ ｉ ｍｐ ｏ ｒ ｔ ｎｔ ａ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｈａ ｔ ｔ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｓ ｔ ｈ ｅ ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｉ ｔ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉ ｒ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍｕ ｌ ｔ ｉ ・ ａ ｘ ｌ ｅ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｆ ｏ ｒ ｅ ， ｔ ｏ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｉｄ ｒ ｅ ｃ ｏ ｍｆ ｏ ｔ， ｒ
地铁车辆振动异常问题探讨
应 用 科 技
地 铁 车辆 振 动 异常 问题 市 地铁 集 团 有 限公 司 ， 广东 深圳 ５ １ ８ ０ ０ ０ ） 摘 要： 城 市地铁 运 行技 术 和 车辆 性 能 虽然 越 来越 成 熟 ， 但 车 辆异 常振 动 仍是 地 铁 行业 中的一 大 困扰 。 文 章通 过 车 辆本 身和行 车 路 况两 者之 间的联 系 ， 对 地铁 发 生异 常振 动 的 实质 因素进 行 分析 ， 并 提 出了一 些解 决措 施 以助 于地铁 安 全稳 定的 运行 。
关键 词 ： 地铁 车辆 ； 振动 因素 ； 改进
３测试 数据 表 １镟修 前 后 加速 度 统计 结 果 根据 Ｔ Ｂ ￣２ ３ ６ ０ － ９ ３ 测 点位 置 测 点号 方 向 最 大值 均方 根硒俗 方差 纵向 １ ７ ５ ０ ７ ０ ０ ５ ６ ７ １ １ ２ ． ３ ９ １ ７ 地铁产生的振动主要来源于地铁列车轮对与钢轨间的相互作用 ， 《 铁道机车动力学性能试 二位 左 ｌ 则 轴箱点 横向 １ ２ ５ ４ ４ ５ ０ ４ ４ ９ １ ７ ７ ｌ １ ９ 长时间的相互作用力会使轮轨发生磨损，有的列车轮子会出现失圆甚 验鉴 定方 法及 评定 标 准》 垂 直 至 产生扁疤 的现象 ， 钢 轨也会 因为长期磨损 而产生波浪 型损耗 。 在地铁 和 Ｇ Ｂ ５ ５ ９ ９ — ８ ５ ｛ 铁 道车 辆 ｎ６ 纵 向 ５ ９ ３ ９ ４ Ｏ１ ３ ２ ９ １田 Ｏ ２ 运 行的过程 中 ， 车轮 和钢轨之 间产生 的相互作 用力会造 成车辆 和钢轨 、 动 力 学 性 能 评 定 和 试 验 镟 ｝ 传动 ｌ １ ７ 横 向 ３ ３ ３ ７ ５ ０ｌ ６ ｃ ３ ２黜 ９ 道 床之 间的振 动 ， 主要 包含 两种情 况 ： 一种 是横 向振动 ， 是 由于 轮轨之 鉴 定规 范》 对 加速 度试 验 垂 直 ４ ６ ６ １ ５ ０ｌ ５ ４ １ ２ ２ ４ ４ ０ 间横 向缝 隙和车轮在 轨道方 向水平运 行不稳 定的作 用力下产 生 的强 迫 数据进行 了处理 。 修 按６ ｓ 为 前 ＿ ＿ ９ 纵向 振动 ， 在 惯性 的作用 下 ， 车 轮会 产生不 改变 其运 动方 向的情况 ， 从而 会 个 分段 ， 分 别计 算 了每 横向 ３ｌ ｇ ３ ７ ｎｌ Ｏ ９ ６ １ ９ 产生偏 移轨道 中心线 的趋势 ； 另一 种是垂 向振动 ， 竖 向振动 的产生是 由 个通 道每 段 中的平 均值 、 垂 直 ３ ６ ２ ８ ８ Ｏ１ ４ ２ ５ １ ７ ∞０ 于 随机 『 生 激励 （ 轨道不平 ） 、 周期 性激励 （ 车轮偏 心 ） 和轮轨之 间发生碰撞 峰值 和谷值 。 对所有数 据 纵向 ３ ６ ９ ３ ０ ０ｌ ０ ｓ ９ ｌ ＿ ＆４ ２ 位Ｅ 机 等引起 的 。 均 采 用 高 通 滤 波 以 消 除 ｌ ２ ３ 横向 ｌ ７ ４ ０ ０ ６ ２ ０ ｎ皖 ３ ９ 垂 直 ３ ２ ８ ９ ４ ０ｌ １ 觇 Ｌ ｓ ２ １ ９ １ ． ２地铁振动 的传 播情况 曲线信号 、 零漂和趋势项 鳅向 １ ９ ７ ２ “ ０∞ ４ １ １ ６１ ５ ８ ９ 地铁振动 的传 播是一 种很 复杂 的波动 现象 ， 包括 纵波 、 横 波和表 面 的影 响 ， 并采 用带 阻滤 波 横 向 １ ３ ３ ２ ７ ６ ０ ４ ７ ２ ７ ７１ ２ 波， 其 中以表面波 占主导地位 。 传播过程 当中波 的能量会有 所扩散被各 消 除 ５ ０ Ｈ ｚ 工频 干扰 。其 １ 。 ９ 垂直 种 不 同介 质吸收 ， 由于传播 介质 不 同， 地 铁产 生振动 会发 出不 同程度 的 中轴 箱 和 牵 引 电机 相 关 １ １ ６ 纵向 噪声 ， 这种噪声 被分为空气声 和固体声两 种形式 。 所谓 空气声就是通 过 通 道 加速度 最大 值 ， 方 差 横向 空气进 行传 播的 噪声 ， 而列 车轨 道系 统撞 击震 动通 过轨 道 、 道床、 隧道 和 均方 根 值 计 算 结 果 如 辙 垂 直 和钢筋混凝土等传播到地表建筑物上引起的振动被称为固体声。 表１ 所示 。 从测试 结果 和 修 后 纵向 ２产生振动 的主要 因素 表１ 所 处理 的 通道 而言 ： １ ２ ０ 横向 ２ ９ ０ １ ２ ０１ ０ ￣ ６ １ ２ 。 ８ ８ ２ ． １列 车本身方面 轴 箱 横 向加 速度 最 大值 垂 直 ３ ７ ２ Ｏ ５ ０１ ４ １ ０ １ ７ ４ ７ ４ 在 车辆结 构方 面 的影 响振 动 因素有车轮 偏心 和车 轮材 质不 均等 。 为１ ３ ＿ ３ ｇ ， 纵 向加速 度最 大 纵 向 ３ ２ ０ １ ２ ０１ １ １嘲 ０ 装庄 ｌ ２ ３ 横向 １ ７ ９ １ ｌ Ｏ ０ ６ ５ １ ｎ∞５ １ 另外 ， 车辆上 的一些辅 助设备 （ 动 力设备 、 电气设备 、 牵 引电机 、 空调 ） 等 值为 １ ９ ． ７ ｇ ， 轴箱 垂 向加 速 垂直 产 生的振动也对 车辆产 生振动有一定 的影响 。 度最 大值为 ４ ３ ． ７ ｇ ； 电机横 衡量车辆 振动大小 的重要 指标之一 就是振 动加速度 ， 因此 ， 通过 对 向加 速 度最 大 值 为 ５ ． ３ ｇ ， 车辆运行 时 的振 动加速 度的检 测对车辆 振动进行 评估 ， 如图 １ 所示 ， 在 电机纵 向加速度 最大值 为 ５ ． ９ ｇ ， 电机垂 向加速度最 大值 为 ４ ． ６ 数 据表 车辆不 同位置安 装传感 器（ 振动加 速度 ） 。图 １ （ ａ ） 中传感器 安装于轴 箱 明 ， 深圳地 铁一号 线测试列 车转 向架 轴箱振 动 清况 正常 ， 而 由于此 型号 位置 ， 可直接 测 出轮轨 的加速度 ； 图１ （ ｂ ） 当 中的传感 器安 装于 车厢 上 ， 牵引 电机 抗振设计边界 条件为各 方 向 ５ ｇ ， 若 经常工作 在 ５ ｇ以上 的环境 可测 出经 一 、 二 系簧减振 之后 的加 速度 ； 图１ （ ｃ ） 中的传感器 安装 于转 向 势必影 响其使用寿命 。 ４地铁振动 的解决措施 架上 ，可测 出经一系 簧减振之后 加速度 。通过 对以上 三个 位置进 行检 测， 真实地 反映 出了车辆的初始振 动以及最终 的振动 。 可通过 车辆在运 ４ ． １对 列车进行合理 改进 行 时振 动加速度进 行检测来评 估车辆 的振 动 隋况 。 （ １ ） 对车辆的一 、 二系簧刚度值及阻尼系数进行调整 ， 车辆的垂向 ２ ． ２行驶 路线方 面 振 动以及对 轨道 的作 用力 与转 向悬挂 一 系 、 二系弹簧 装置 ， 选择 适 当参 ２ ． ２ ． １低接 头影 响 数以减小车体振动的加速值来减少地铁车厢的振动。（ ２ ） 对牵引和制动 低接头发 生压堆 、 破 损及马 鞍型状况 ， 会增 加车 辆 的冲击 力 。接头 参 数进行合 理设置 ，来改善 地铁在进 站或 出站时 因急剧变 化产生 的轮 捣 固不实存 在空 吊板 、 接 头抗压 的承受力 减弱 、 轨 枕失效 以及轨缝 过 轨 作用力 对轨道造 成波磨 的不 良影响 。（ ３ ） 正确 调整 地铁 的运行 速度 ， 大、 还有轨 头不平 等都是 造成车辆 振动 的主要 因素 ， 也 是车辆 的垂 向加 避免 因转 弯速度 不稳定 、 轮轨应力 不集 中给轨道 带来损 害 ， 也应注 意 因 速 度变大 的直接原 因。 速度太 陕引起的车辆剧烈 跳动 。 ２ ． ２ ． ２波磨影响 ４ － ２对轨道 进行合理改 进 钢 轨 波磨 指 的是轨 头顶 面 及侧 面 的波 浪形 因磨 损不 均 产生 的变 （ １ ） 加强对 轨道打磨 的周期 和时 间 ， 对波磨发 展 陕的区段要 注重周 形， 波 磨范 围越大 ， 影 响也会 大。这样会 使钢轨 的更换量 和轨道 维护产 期性 的打磨 ， 消除轨道 的顶面 的不平 顺现象 ， 来减 小振动 。（ ２ ） 钢轨低接 生 的费用增 加 ， 进 一步 引 头 区段进行处 理 ，用 自动化钢 轨线上 焊修设备 可消灭 轨道 的焊接部 位 发 噪声污 染等环 境 问题 ， 不 平顺 的情况 ， 减 小车轮对轨道 冲击力量来 减少振动 。 也 限 制 了列 车 的提 速 车 ５结束语 速 问题 ， 对 行车安 全埋 下 随着人 们对生活质量 和居住环境 要求 的不 断提高地 铁振动 所引发 了了安全 隐患。 种种危害俞 加凸现 。 因此 ＇ 城市地铁 大兴修建 的同时应 该做 好远期规划 ， ２ ． ２ － ３曲线 超高 并在施工过 程 中， 积 圾采取 多种避振和 隔振措施 。另外地 铁振动 的辐射 车 辆 行驶 于 曲线 轨 范 围以内的建筑要做好 加 固基础 采 取 弹性元件来 进行 隔振等措 施 。城 道上会 产生平 衡离 心力 ， 市交通 发展 离不开地 铁， 因此 ， 要创造科 学 、 合理及 健康 的环境共 人们居 在 曲线轨道设 超 高 ， 借助 住， 需要有 关部 门共 同努力 和政府 管理部 门来 监督 ， 也需要 广大 居 民乃 车 子 自身 重 力 及水 平 分 至全社 会的共 同关 注才 能控制地铁 振动给人类 居住环境 带来 的负面影 力来 抵消离 心力 ，
论ANSYS随机振动分析在铁道车辆中的应用
本文利用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ软件对车辆 轴端一悬 吊件 及其优 化结构进 行 有限元仿真分析 ， 检验改零件 的疲 劳可靠性。
２ 悬 图 １ 有 限元 模 型
优 化 后 结 构
２ ． １有 限元 模 型 图 １为两种结 构 的有限元 模 型， 模型采用六面体单元离散。优 化前模 型共离散为 １ ５ ９ ５ ８ 个节点 ，
表 Ｉ 是结构优化前后各项性能指标 的对 比。
３结论 Ｓ ｈ ｏ ｃ ｋ ａ ｎ ｄ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ［ ｓ ］ ．Ｇ ｅ ｎ ｅ ｖ ａ ，Ｓ ｗ ｉ ｔ ｚ ｅ ｒ ｌ ａ ｎ ｄ ：Ｔ ｈ ｅ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ
Ｉ １ ３ ８ ８ 个单 元 ； 优 化后模 型共 离散 为 １ １ ８ ８ ２个节点 ， ８ ５ ４ １ 个单元 。 其 中约束在图中的质 量单元处 。 ２ ． ２计算流程 ａ ． 定 义载荷 和边界条件 ， 在模 型中建立约束节点 ， 根据实际情 况 建立 载荷 和质量点 ， 并建组 ； 优 化 后 结 构 优 化 前 结构 ｂ ． 进行 模态求解 ， 根据结构 所 图２ Ｖ ｏ ｎ Ｍｉ ｓ ｅ ｓ应 力 云 图 处 的位置 （ 轴端 或构架 端部等 ） 选 择 需 要计 算 的 阶数 或截 止 频率 ， 表 １ 结构 优 化 前 后 各 项 性 能 指 标 通 常构架端 部悬 吊件 的截 止频率 可选择 １ ０ ０ ＨＺ ，轴端 悬 吊件的截 止频率可选择 ２ ５ ０ Ｈ Ｚ ； Ｃ ． 获得普解 ， 输 入 ｘ、 Ｙ、 ｚ三 个方 向的功率谱密 度及对 应的频 率值【 ： １ 并进行求解计算 ； ｂ ． 对于悬 吊件的设计 ， 要尽量使重心的位置更靠近约束位 置 ， 结 ｄ ． 模态合并 ， 通过设置有效 的阀值将 每一 阶扩展模 态在结构 中 构偏短粗而非 细长 ； 的最大位移响应和应力合并并计算 ； ｃ ． 结构 的一 阶 固有 频率 为 ２ ２ ３ ． ３ ２ Ｈ Ｚ和 ４ ９ ８ ． １ ３ Ｈ Ｚ ， 也就是 说在 ｅ ． 查 看计算结果 ， 查看载荷 步 ３的应力值及载 荷步 ４ 、 ５的位移 这个点会 产生大 的变形 ， 即在该点会发生共振 。 值， 并导出节点的结果 列表 ； 参 考 文 献 ２ ． ３计算 结 果 １ 】 赵岩 ， 张亚辉 ， 林 家浩． 车 辆 随 即振 动 功 率谱 分析 的 虚 拟 激 励 法概 图 ２是 载荷 步 ３ 计 算的 Ｙ ｏ ｎ Ｍｉ ｓ ｅ ｓ 应力 云图 ， 本文采用 基于高 ［ Ｊ ］ ． 应 用数 学和力学 ， ２ ０ １ ３ ， ３ ４ （ ２ ） ： １ ０ ７ 一 ｌ ｌ ７ ． 斯分布 的三 区间法和 Ｍｉ ｎ ｅ ｒ 定律进行计算 。并根据 Ｓ － Ｎ曲线Ｄ １ 图谱 述［ ［ ２ ］ Ｉ Ｅ Ｃ ６ １ ３ ７ ３ － ２ ０ １ ０ ， Ｒ ａ ｉ ｌ ｗ ａ ｙ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ — Ｒ ｏ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｏ ｃ ｋ ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ — 获得耐疲劳次数 。
基于ANSYS的地铁车辆振动特性分析
第２ ７期
２１ ０ ２年 ９月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ ．１ Ｎｏ ２７ Ｓ ｐ．２ ２ １ ２ ． ｅ ０１
１７ — １ １ （０ ２ ２ — １００ ６ １ ８ ５ ２ １ ） ７ ７ ３ —５
Ｓ ｉｎ ｅ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ａ ｄ ｃｅ ｃ ｃ ｎ ｌ ｇ ｎ Ｅｎｇｎ ｅ ｉ ｉｅ ｒｎｇ
行模 态分析及谐响应分析。先对谐响应分析理论进行 简要介 绍， 然后用有 限元分析软件 Ａ Ｓ Ｓ对 国 内某地铁 车辆进 行 了模 ＮＹ 态及谐 响应分析 。最后对空调与车顶连接的橡 胶刚度值进行 了优化 。
关键词
Ａ ＳＳ ＮＹ
地铁 车辆
模 态分析 文献标志码
谐响应分析 Ａ
刚度优化
⑥
２ １ ＳｉＴ ｃ． ｎｒ． ０ ２ ｃ． ｅｈＥ ｇｇ
交通 运 输
基于 Ａ Ｓ Ｓ的地铁车辆振动特性分析 ＮＹ
吴 仲 刘 阳光 武
（ 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室 ， 成都 ６０ ３ ） １０ １
摘
要
为 了避免地铁 车辆在运营过程 中空压 机产 生振动 ， 引起 车窗、 内座椅 以及 扶杆 的剧 烈振 动， 车 因此 有必要对 车辆进
上 有 同频 率 、 同相 位 的 正 弦 力 Ｐ ｉｗ 作 用 ， 系 统 ｓ ｔ ｎ 则
的强迫振 动微 分方程 为
＋Ｃ ＋Ｋ ＝ Ｐ ｉｔ ｘ ｓ ｏ ｎｔ （） １
四川省科技计划项 目（０ １Ｙ ０ ９ 、 十一五 ” ２ １Ｊ ０ ２ ） “ 国家科技 支撑计划项 目（ ０９ ＡＧ ２ ０ ．１ ） ２０ Ｂ １Ａ ４Ａ 资助 １ 第一作者简介 ： 吴仲刘（ ９ ８ １ ８ 一）， ， 士研 究生 ， 男 硕 研究方 向： 车辆 强
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。那么该地铁车在搭载乘客后， 空压机的振动
不仅不会使受电弓及车体各部分产生较大的振动 ， 反而有可能使各部分振动幅值降低 。
参
1 石
考
文
献
芳． 基于 I—DEAS 的高速客车谐响应分析． 铁道机车车辆工
3
总结及建议
2
2008 ； （ 12 ） ： 23 —27 人， 周长城， 胡仁喜， 熊文波． ANSYS11. 0 基础与典型范例． 北京： 电 2007 子工业出版社， 3 4 2003 高淑英， 沈火明． 线性振动教程． 北京： 中国铁道出版社， 木 村， 敏 宣． 车 体 振 动 评 估 技 术 的 进 展 ． 国 外 铁 道 车 辆， 2005 ； 42 （ 3 ） ： 19 —23
车体的自振频率（ Hz）
模态 一阶垂弯 一阶横弯 空调平顶处振动模态 频率 10. 68 15. 10 18. 09 24. 09
空压机激励频率下的振动模态
空压机额定转速 r = 2 900 r / min ， 极对数 p = 2 ， 那么振动频率 f = r / （ 60p） = 24. 17 Hz。 从上面知 道空调平顶处的固有模态频率为 18. 093 Hz， 而空 压机激励频率主要在 24. 17 Hz， 故不会引起空调平 顶产生共振。同时从图 2 看出在空压机的激励频率
基于 ANSYS 的地铁车辆振动特性分析
吴仲刘 阳光武
（ 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室， 成都 610031 ）
摘
要
为了避免地铁车辆在运营过程中空压机产生振动， 引起车窗、 车内座椅以及扶杆的剧烈振动， 因此有必要对车辆进
行模态分析及谐响应分析 。先对谐响应分析理论进行简要介绍， 然后用有限元分析软件 ANSYS 对国内某地铁车辆进行了模 态及谐响应分析。最后对空调与车顶连接的橡胶刚度值进行了优化 。 关键词 ANSYS 地铁车辆 U270. 2 ； 模态分析 文献标志码 谐响应分析 A 刚度优化 中图法分类号
。 设一
个具有黏性阻尼的多自由度系统， 它的各广义坐标 上有同频率、 同相位的正弦力 P sinωt 作用， 则系统 的强迫振动微分方程为 ¨ + Kx = P sinωt M x + Cx 合的正则坐标的强迫振动方程式 ¨ N + K N x N = P N sinωt Ix N + C N x （ 1）
2. 2 （ j = 1， 2， …， n） （ 3）
模态计算及结果 这里求解模态时考虑到实际情况， 需要在空簧
底端加上约束， 然后求解约束模态。 图 1 是一阶垂 图 2 是空压机激励频率下的振动模态。 表 弯模态， 1 列出了车体主要模态振型下的频率值 。
式（ 3 ） 中 P N = A P ， 将式（ 3 ） 改写为 ¨ Nj + ω2 x Nj + 2 ζ j ω j x j x Nj = P Nj sin ω t （ j = 1， 2， …， n） （ 4） 式（ 4 ） 是一组相互独立的方程， 其中每一个都可以 像单自由度系统问题一样单独求解， 得到每个正则 坐标为 x Nj = P Nj ωj
）、 “十一五” 四川省科技计划项目（ 2011JY0029 国家科技
采用正则坐标 x N 代替原有坐标 x ， 建立下述互不耦 （ 2）
27 期
吴仲刘， 等： 基于 ANSYS 的地铁车辆振动特性分析
7131
即 Nj + ω x Nj = P Nj sinωt x Nj + C Nj x
2 j ¨
n
xi =
A （Nij） x Nj ∑ j =1
n
= 1 （ 1 － λ ） 2 + （ 2ζj λj ） 2 槡
2 j
图1
一阶垂弯模态
∑ j =1
j） A（Ni PNj
ωj
2
sin（ ωt － φj ） （ 6）
（ i = 1， 2， · · · ， n） （ j = 1 ， 2， …， n）
（ j） 式（ 6 ） 中 A Ni =
1 （ j） A ，A （Nij） 为第 j 阶正则振型， Mi 槡
A （ j） 为第 j 阶主振型。
2
2. 1
地铁车辆结构系统的谐响应分析
有限元模型的建立 利用前处理软件 Hypermesh 对国内某地铁车辆
图2 空压机激励频率下的振动模态 表1
编号 1 2 3 4
进行建模， 得到整车有限元模型。 用于划分网格的 几何形状几乎全从设计中各处厚度的中面提取 ， 其 中包括车顶、 底架、 侧墙、 端墙等都用相对等厚度的 薄壳单元进行模拟， 车体上的侧墙纵向梁、 上边梁、 侧柱、 车顶弯梁、 纵向梁及端墙主柱、 角柱等均用梁 单元模拟。 空压机与空调的连接及空调与车顶是 用橡胶垫连接的， 这里用弹簧单元模拟橡胶垫。 车 体大型设备及重要的设备以集中质量的形式施加 在各自的质心位置， 其他设备以均布力的形式加在 各自的位置上。计算模型中， 焊缝以焊缝节点重合 的形式模拟。该有限元模型共有 149 036 个节点和 201 925 个单元。
滑磨耗层（ OGFC） 沥青路面的试验研究． 2006 4 5 JTG F40 —2004 公路沥青路面施工技术规范． 2004 王 田
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学
技
术
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程
12 卷
下车顶并不会产生较大振动， 故在该转速下还是比 较安全的。 2. 3 车体谐响应分析 为了解整车振动响应情况， 一共选取了 9 个截 面， 每个截面上提取了 8 个节点。 考虑到实际振动 2、 3、 4 节点取垂向位移响应， 情况， 这里对 1 、 对 5、 6、 7、 8 节点取横向位移响应 （ 5 、 6 节点为门窗集中 4 所示。 质量点处） 。具体如图 3 、
2
T N
1 （1 －λ ） 槡
2 j 2
+ （ 2ζj λj ）
2
sin（ ωt － φ j ） （ 5）
（ j = 1， 2， …， n）
式（ 5 ） 中 λ j = ω / ω j ， ζ j = C Nj / 2 ω j ， φj = arctan［ 2 ζ j λ j / （ 1 － λ2 。 j ） ］ 则系统在激励 P sinωt 下的响应为
图5 频率响应曲线
图3
门窗编号
图6
车顶频率—位移曲线
图4
选取的截面节点编号
通过在两空压机质量点处 Z 向加幅值为 500 N 的正弦激励， 频率范围在 0 —60 Hz， 亦即输入激励 60 ） ， 为 500sinωt， ω ∈ （ 0， 由此得到车体各截面上 各节点的频率响应曲线。如图 5 是截面 1 节点 1 的 频率响应曲线， 在激励频率是 17. 5 Hz 时该点位移 幅值为 0. 278 4 mm。为了对所提取的 72 个节点的 频率响应曲线进行综合考虑， 这里将各截面上的 1 、 2、 5 节点出现最大振幅的频率记出， 列出对应于不 同截 面 的 节 点 的 频 率—位 移 曲 线， 如 图 6 —图 8 所示。 11. 7 Hz、 易见 振 幅 较 大 处 出 现 在 10. 73 Hz、 17. 3 Hz 附近， 避开了 24. 17 Hz 的激励频率， 不会引 起很大的振动。 同理， 在 X 向加幅值为 500N 的正弦激励时， 振
［3 ］
。
本文从模态分析、 谐响应分析两个方面来讨论 地铁车辆的振动规律。 首先对地铁车辆有限元模 型进行模态分析， 其目的是可以直观地看出发生耦 合的频率与振型， 同时为谐响应提供必要的依据。 在谐响应分析中， 主要讨论车辆在空压机激励下车 体上选定节点的振动规律。 最后对现有满足条件 的橡胶垫刚度进行了优化， 以得到更适当的橡胶垫 刚度值。
7133
图8
门窗频率位移曲线
图9
不同刚度值下的位移幅值
2. 4
刚度优化 在空压机的激励下， 为了使车体各部分振动幅
振措施， 并对其刚度值进行了优化， 得出如下结论： 1 ） 空压机的振动并不会使车体各部分产生较 大的振动， 避免了产生共振； 采取的隔振措施合理， 起到了应有的隔振作用。 2 ） 建议将空调与车顶安装座的橡胶堆静刚度 值改小 k st = 625 N / mm 左右， 这样在相同的振源下 车体各部分的振动幅值会很明显地减小 ， 起到更好 的隔振作用。 3 ） 根据文献 4《车体振动评估技术的进展 》 可 知， 车体的 自 振 频 率 与 乘 客 的 多 少 及 乘 车 状 态 无 关， 只是随着乘客的增加， 车体振动加速度幅值减 小
通过有限元软件 ANSYS 分析和研究了国内某 地铁车辆中间车的固有振动特性， 得到了系统的若 干阶固有频率和振型； 在此基础上分析了中间车在 简谐激振力作用下的响应， 得到了车体各部位的振 动特性。考虑到作为振动源的空压机及其采取的隔
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27 期
李东海， 等： OGFC 沥青混合料设计中 CAVF 法
2012 年 5 月 28 日收到 A） 、 铁道部科技研究开发计划项目（ 2011J022A11 ） 资助 支撑计划项目（ 2009BAG12A04第一作者简介： 吴仲刘（ 1988 —） ， 男， 硕士研究生， 研究方向： 车辆强 mail： 673601326@ qq． com。 度与振动。E-
第 12 卷 第 27 期 2012 年 9 月 1671 — 1815 （ 2012 ） 27-7130-05
科
学
技
术
与
工
程
Science Technology and Engineering
Vol. 12 No. 27 Sep． 2012 2012 Sci. Tech. Engrg.
交通运输
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谐响应分析理论