SS_9改进型机车车体钢结构弹性模态分析研究

—２３—
２００４年第２期２００４年３月１０日机车电传动
ＥＬＥＣＴＲＩＣＤＲＩＶＥＦＯＲＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥＳ№２，２００４Ｍａｒ．　１０，２００４
作者简介：曾仲谋（１９７５－），
男，１９９８年毕业于西南交通大学铁道车辆专业，现为西南交通大学机车车辆研究所硕士研究生，从事机车车辆结构及强度、动力学分析研究；
摘要：采用大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对ＳＳ９改进型电力机车车体钢结构进行模态分析，描述了该车体在某一频率范围内的振动模态，分析了影响车体结构的主要因素，并就进一步改善车体动态特性提供了参考依据。

关键词：机车车体；　振动；　模态；　动态特性；　电力机车中图分类号：Ｕ２６０．３；　Ｕ２６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－１２８Ｘ（２００４）０２－００２３－０３
Ｅｌａｓｔｉｃ　ｍｏｄａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｄｙ　ｆｏｒ
　ＳＳ９　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ
ＺＥＮＧ Ｚｈｏｎｇ－ｍｏｕ， ＸＩＡＯ Ｓｈｏｕ－ｎｅ， ＹＡＮＧ Ｇｕａｎｇ－ｗｕ
（Ｒａｉｌ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｃｈｅｎｇｄｕ，　Ｓｉｃｈｕａｎ　６１００３１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｔｈｅ　ｍｏｄａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｃａｒ－ｂｏｄｙ　ｆｏｒ　ＳＳ９　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄｂｙ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＡＮＳＹＳ．　Ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄａｌ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｄｙ　ｗｉｔｈｉｎ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒａｎｇｅ　ｉｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．　Ｍａｉｎ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃａｒｂｏｄｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｄｙ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ａｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ　ｃａｒｂｏｄｙ；　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；　ｍｏｄａｌ；　ｄｙｎａｍｉｃａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｒ；　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ
随着铁路运行向高速、安全、舒适性方向的发展，机车的结构动态性能设计显得越来越重要。

车体钢结构及主要零部件的结构设计要从以静强度为主要准则的静态设计向具有良好动特性的动态设计过渡。

为了保证新设计的机车车体在运行中具有良好的车体结构振动特性，有必要通过对结构的模态计算进行振动特性分析，为车体结构的设计修改提供参考依据。

１结构动力学特性分析的理论背景
由文献［１］可知：ｎ个自由度比例阻尼的运动微分方程为：
［Ｍ］｛Ｘ｝＋［Ｃ］｛Ｘ｝＋［Ｋ］｛Ｘ｝＝｛Ｆ｝　……………………（１）式中：［Ｍ］、［Ｃ］、［Ｋ］分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵、
刚度矩阵；｛Ｘ｝、｛Ｘ｝、｛Ｘ｝分别为加速度、速度和位移；｛Ｆ｝
为载荷向量。

在求解系统固有频率和固有振型时，可不考虑阻
肖守讷（１９６４－），男，１９８８年获西南交通大学力学硕士学位，研究员，西南交通大学机车车辆研究所副所长，从事机车车辆结构、强度及可靠性分析研究。

尼和外加激励的影响，即可令［Ｃ］＝０，｛Ｆ｝＝０；令｛Ｘ｝＝｛ｕ｝ｓｉｎωｔ，其中｛ｕ｝和ω都是未知量，且｛ｕ｝≠０，将之代入（１）有：
（－ω）　２　［Ｍ］｛ｕ｝ｓｉｎωｔ＋［Ｋ］｛ｕ｝ｓｉｎωｔ＝０ …………　（２）因为ｓｉｎωｔ　不恒为０，故有：（［Ｋ］－ω２　［Ｍ］）｛ｕ｝＝０ ……………………………（３）由线性代数知方程有非０解的充要条件是：｜［Ｋ］－ω２［Ｍ］｜＝０………………………………（４）解方程（４）可得ｎ个特征值ω２１　，ω２２，…，ω２ｎ 再将其代入式（３）可得出对应的非零解向量｛ｕｎ｝。

其中ω　ｒ和｛ｕｒ｝分别为结构的固有频率和固有振型。

在一般的系统中，自由度很多，但在研究系统响应时，往往只需要知道少数的较低阶特征值及相应的特征向量。

目前应用较多的有Ｌａｎｃｚｏｓ向量直接叠加法、子空间迭代法、缩减法。

子空间迭代法是求解大型矩阵特征值问题的有效方法，适合于求解部分特征解，在有限元计算中应用较多［３］。

收稿日期：２００３－０４－２２；　收修改稿日期：２００３－０７－０２；
¨．
¨．
机车电传动 ２００４年
—２４—
　第２期 曾仲谋，　肖守讷，　阳光武：ＳＳ９改进型机车车体钢结构弹性模态分析研究
从计算结果可以看出，车体的振动模态大致可分为３类：
（１）车体整体弹性振动，如模态１；
（２）　车体整体弹性振动＋局部振动，如模态２、９；
（３）　车体局部弹性振动，它包括各侧墙、顶盖和底架地板，如其余模态。

车体的整体弹性振动的型式较为明显，这说明车体的整体刚度较好。

对于顶盖和底架地板局部振动较多，尤其振动频率超过１３Ｈｚ后局部振动频率更加密集。

参照德国高速列车对机车车体振动模态频率的要求：一阶垂直弯曲振动频率应大于等于１０Ｈｚ。

机车车体一阶垂直弯曲频率为１２．０６３Ｈｚ，故该车体一阶垂直弯曲振动满足要求。

４结论及建议
对该型电力机车车体钢结构的模态分析表明：
（１）　车体整体一阶垂直弯曲振动模态频率满足有关标准要求，车体结构设计合理。

（２）　在设计中尽量避免大面积薄板结构，从而避免引起结构的局部振动，如大的底架地板。

如确实不可避免，可焊接角钢以提高其局部刚度。

参考文献：
［１］曹书谦，等．振动结构模态分析—理论试验与应用［Ｍ］．天津：天津大学出版社，２００１．
［２］陈新，等．机械结构动态设计理论方法及应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９７．
［３］王丹，李强．高速客车车体钢结构弹性模态分析研究［Ｊ］．北方交通大学学报，２００１，（４）：９４－９６．
［４］刘正兴，孙雁，王国庆．计算固体力学［Ｍ］．上海：上海交通大学出版社，２０００
．
—２５—。