高速列车复合材料地板振动性能分析

郑路　周劲松　孙文静　石晨

摘要： 为分析不同复合材料高速列车地板减振性能的差异，对其进行力学性能测试，分别采用多层叠混合模型及单层模型计算复合结构材料的等效参数并验证.建立包含内装地板的高速列车车体有限元模型；基于实车线路测试结果，以车体底架振动加速度信号作为地板瞬态响应激励，计算复合地板材料结构的瞬态振动响应及振动传递率，得到不同复合材料地板的振动特性.研究结果表明：桦木芯材优于桤木芯材；外层面板厚度的增加使得地板的减振性能增强，但过大会导致减振性能下降；不锈钢面板比铝合金面板地板结构固有频率低且质量较大，不利于车体轻量化设计.

关键词： 高速列车； 复合材料地板； 力学性能测试； 等效材料特性参数； 减振

中图分类号： U270.11文献标志码： B

Analysis on vibration performance of composite material

floor of highspeed train

ZHENG Lu， ZHOU Jinsong， SUN Wenjing， SHI Chen

（Institute of Railway&Urban Rail Transit， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract： To analyze the vibration reduction performance of different kinds of composite material floors of highspeed train， the mechanical performance tests are performed on the structures， and the equivalent parameters of the composite material floor are calculated using multilayer model and single layer model separately and validated. The finite element model of a highspeed train body which includes inner decoration floor is built； based on the test data of real train on line， the vibration accelerations of train body underframe is considered as the excitations of transient response and the transient vibration response and vibration transfer rate are calculated for the composite material floor structures， and the vibration property of different composite material floors are obtained. The results show that， the core material of birch is better than that of alder； the vibration reduction performance is improved with the increase of outer panel thickness， but it decreases if the panel is too thick； the natural frequency of stainless steel panel floor is lower than that of aluminum alloy panel floor and not conducive to light weight design because of its bigger mass.

Key words： highspeed train； composite material floor； mechanical performance test； equivalent material property parameters； vibration reduction

0引言

随着我国高速列车运行速度不断提高，振动和噪声问题日益突显，车体零部件材料和减振结构的选择十分重要.[1]由于地板是转向架与车体内部的接口，乘客与地板直接接触，地板振动剧烈会显著降低乘客乘坐的舒适性，因此其结构振动性能研究尤为重要.目前，我国高速列车内装地板广泛采用复合材料[23]，该类型地板质量较轻并可在一定程度上增加地板刚度.国内外专家学者对地板减振措施进行一定程度的研究，如：雷晓燕等[4]和王瑞乾等[5]研究的列车铝型材地板喷涂阻尼材料可显著提高地板的模态阻尼比，在不同频段降低地板的振动；张玉萍等[6]设计合理刚度的地板减振器，在频率上避开对乘客舒适度影响较大的局部振动频率段以避免共振；苗新芳[7]提出在高速列车上使用新型的内装材料，中间地板选用复合材料以起到减振降噪的作用.这些措施均取得一些效果，但均是通过附加的刚度阻尼材料来实现的.

目前，复合材料在高速列车上应用广泛，但不同的复合地板材料及结构本身对列车地板振动特性影响及其规律尚不明确.基于此，本文以国内某型高速列车为研究对象，针对16种不同的复合材料地板结构测试其力学特性，依据测试结果进行多层材料有限元模型参数等效并验证，建立包含复合材料地板特性的完整车体振动仿真模型，再以线路实测信号为输入，利用该模型对不同地板的振动特性进行计算，为今后高速列车复合地板材料结构选择提供参考.

1地板结构力学性能测试

本文研究的复合材料地板属于典型的层合板结构，该结构一般由2层以上的单层板粘合在一起，组成整体的受力结构元件.层合板结构各单层的材料、厚度和弹性主方向可以互不相同，具有各向异性特征.这16种地板分别由不同材料的面板（不锈钢与铝合金）、芯材（桦木与桤木）以及橡胶单元以不同的厚度组成，其中一个样件见图1.

为得到内装地板复合结构材料特性参数，首先针对厂商提供的16种复合地板材料进行力学性能测试，依据测试结果进行有限元建模参数等效.

对地板样件进行三点弯曲、抗压强度和抗拉强度等试验.以三点弯曲试验为例，依据标准《夹层结构弯曲性能试验方法：GB 1456—2005》，通过夹层结构长梁试样的三点弯曲试验测定面板的弯曲强度；通过夹层结构短梁试样的三点弯曲测定芯材的剪切强度；通过夹层结构短梁试样的外伸梁三点弯曲测定弯曲刚度和剪切刚度.试验加载方式及现场测试见图2和3.同时，还进行抗压强度试验和抗拉强度试验.

2复合材料结构参数等效

2.1等效参数计算

根据测试得到复合材料样件的各项力学性能参数，如面板的弯曲强度及弹性模量、各层芯材剪切强度及模量、弯曲刚度和平压平拉强度等.在有限元模型建立过程中，需要知道复合材料的整体密度和弹性模量.其中，复合地板的整体密度可以通过质量与体积之比求出，但力学性能测试中不能直接测出材料整体的弹性模量，因此需要根据测试得到的复合地板各层不同材料抗弯刚度曲线，经过计算得到整体结构的抗弯弹性模量.

为减小误差，每组材料选取5组样件，根据其位移载荷数据取平均值，绘制该复合材料结构的抗弯刚度曲线.考虑到实际振动中地板结构变形较小，处于线性范围内，因而在计算时根据500～3 000 N载荷区间的抗弯刚度曲线计算复合材料样件的等效弹性模量.结构的位移、载荷及材料特性参数的关系为f=Fl348EI （1）式中：f为样件中点的位移，mm；F为对应位移值的载荷，N；l为结构跨距，mm；E为样件等效弹性模量，MPa；I为样件惯性矩，mm4.本试样形状为长方体，长600 mm，宽60 mm，高22 mm，其截面惯性矩I=112×60 mm×（22 mm）3=53 240 mm4 （2）将式（2）代入式（1）中，可得样件的弹性模量为E=Fl348fI=84.52Ff （3）F/f即为抗弯刚度曲线的斜率.

2.2等效模型建立和参数验证

为保证有限元仿真的准确性，在复合材料建模时广泛采用混合模型，即将复合材料分成若干层，每一层材料属性均为各向异性且可以选择不同的单元类型，如层单元、壳单元及连续实体单元等，在仿真时可根据实际问题选择最佳方案.有限元软件Abaqus可以较好地模拟复合材料的固化变形问题，且在处理非线性问题方面表现出众，故采用Abaqus进行多层混合模型的建模.本文研究的每种复合材料地板模型均包含3种材料，即铝合金/不锈钢、木材、橡胶.由于实际振动中结构变形很小，处于线性范围内，故将铝合金/不锈钢和木材简化为各向同性的线性材料，橡胶简化为超弹性材料，采用MooneyRivian模型进行建模.对照实际地板结构，采用模型层叠方式，共18层结构，其中第1层和第18层为铝合金或不锈钢的外层面板，第14层为橡胶，其余层为纹路方向呈90°的木材（桦木或桤木）.有限元模型中的加载方式与结构力学性能测试加载方式一致，见图4.采用该混合模型还可以得到复合地板结构的材料特性曲线.为降低建模难度并减少计算量，对混合模型进一步简化.由于层合板本身属于板状结构，因此将其简化为与实际厚度相同的壳单元可以有效降低建模的复杂程度并提高计算效率，据此将地板的层合板结构模型转化为单层的壳单元模型[8].将计算得到的多层叠混合模型和单层简化模型的等效结果与测试结果进行比较，见图5.

由图5可知：试验结果与2种模型的仿真结果在线性区域内斜率基本一致，即2种模型得到的复合地板材料的抗弯刚度一致.在高速列车运行过程中，地板变形位于弹性变形范围内，因此可认为该等效参数合理.综合考虑模型准确性与计算量，选择在后续仿真中采用等效后的单层地板模型进一步分析计算.

3车体复合材料地板振动特性分析

3.1车体有限元模型建立

以国内某型高速列车为研究对象，头车包括司机室、观光区和车厢3个部分.根据车辆三维几何模型，建立车体有限元模型.为保证计算精度并提高计算速度、适当减小模型计算量，在观光区车厢建立包含车辆内装的有限元模型，包括顶板、间壁、中顶板和地板4部分，包含地板结构在内的观光区车体有限元模型见图6.

针对观光区地板结构进行计算和测试分析，其他车体部分则采用不包含内装地板的白车身结构.在有限元模型中，车体为板状结构，通过壳单元进行模拟，以4节点的壳单元进行离散.

将观光区车体模型与其他部位车体模型进行装配，组成完整的车体有限元模型.观光区内装地板与车体铝合金结构地板间安装有橡胶减振元件，此处采用弹簧减振单元进行模拟.该区域中每个弹簧减振单元的刚度值为200 N/mm，阻尼值为0.02；观光区中顶板和墙板与铝合金车体之间通过螺栓固结，此处采用刚性单元与车体连接.完整的高速列车头车车体有限元模型见图7，共包含320 928个节点和414 222个单元.

3.2地板振动线路测试结果

为获得瞬态响应计算时所需的激励信号并与仿真模型对比，对高速列车观光区进行地板振动线路测试，采集空簧上方枕梁、观光区地板和车体底架上相应测点位置处的加速度时域信号，统计各测点的时域振动响应指标并通过频谱分析其振动主频.采集空簧上方的加速度，作为瞬态响应分析计算的输入信号.对测试结果进行频谱分析，结果见图8.

3.3复合材料地板振动特性计算

仿真模型中设定6个输出点，各输出点的位置见图9.其中，3号测点为车体底架，6号测点为观光区地板.

以测试得到的350 km/h运行时的车体底架处的振动加速度作为激励，分别选取表1中不同地板材料的有限元模型等效参数进行瞬态响应分析，地板上方（6号）测点响应计算结果的时域指标统计见图10.比较1～16号的复合材料地板结果可知：9～16号的不锈钢面板材料地板的振动加速度响应值比同尺寸的1～8号铝材料面板的地板更大；桤木芯材地板的加速度响应比同尺寸的桦木地板更大；对于相同面板材料且相同芯材的地板，随着面板的厚度的增加，加速度响应通常会增大，面板厚度在0.8 mm左右时，振动加速度响应最小.a）有效值统计b）最大值统计

为进一步观察地板的振动情况，以6号测点为例进行分析，对3，5，7，11，13和15号复合材料地板仿真计算结果进行频谱分析，见图11.在频率低于20 Hz时，2种面板材料地板的振动能量基本相当；在频率为20～35 Hz时，铝合金面板地板的振动能量明显小于不锈钢面板地板；而在频率为35～55 Hz时，不锈钢面板地板的振动能量小于铝合金面板地板.其他测点位置与测点6显示一致的振动特性，此处不再描述.

a）面板材料对比

b）芯材对比

c）面板厚度对比

根据被动隔振理论[9]，不锈钢面板材料由于质量较大、固有频率相对铝合金面板材料低，低频振动传递率大于铝合金面板，因而对列车运行平稳性指标具有不利影响[10].此外，由图11可见：对于相同面板材料的地板，桤木芯材的振动能量在45～60 Hz范围内大于桦木芯材，而在低于45 Hz时两者基本相同；对于相同面板相同芯材的地板，随着面板厚度的增加，振动能量先减小后增大，在面板厚度为0.8或1.0 mm时，振动最小.

4结束语

基于复合材料力学性能测试结果进行有限元建模材料参数等效模拟，建立包含地板复合材料特性的车体仿真模型，依据线路实测信号进行地板振动特性计算，结果如下.

（1）利用力学性能测试结果进行复合材料地板的有限元模型等效建模方法合理；以实车线路测试的枕梁振动信号作为系统输入，结合仿真模型计算，可以快速有效地实现对不同地板结构的振动性能评估，相较以往的单一试验方法更灵活便捷.

（2）综合考虑振动加速度的大小以及在不同频率段的差异，由于不锈钢面板地板低频振动能量和质量均较大，不利于列车运行平稳性，不利于车体轻量化设计，因此铝合金面板材料更佳；对于芯材而言，桤木的振动加速度明显大于桦木芯材；随着面板厚度的增加，地板振动能量加大，但厚度过小则会导致结构刚度不足，从而引起振动的加剧，面板厚度在0.8 mm左右能达到最好的隔振效果.

综上所述，针对本文所研究的16种复合地板材料，减振性能最好的地板样件编号为3号，其材料组成为铝合金1.5 mm+桦木+铝合金0.8 mm.参考文献：

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（编辑武晓英）