某地铁车辆车体的试验模态分析

李文强+徐冠基+吕晓鹏

摘要：模态分析是对地铁车辆车体进行动态性能分析的一个重要的方法，是动力学分析的一个重要的方面。据此，采用多点激振多点拾振的方法对某地铁车辆白车身进行了模态测试，并通过MAC矩阵对试验结果进行了验证，对地铁车辆车体、悬挂设备件及其转向架等相关设备的设计与选用提供了依据。

关键词：试验模态分析；MIMO；模态置信准则

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.06.091

0引言

当高速动车组等轨道交通车辆运行时，由于运行轨道的状况以及运行过程中空气阻力等载荷的影响，会导致列车车体及相关部件的随机振动。若外部载荷的激振频率与车体或部件的固有频率接近时，就有可能引起共振，这不仅会对车上乘客的乘坐体验产生影响，严重情况下还会对车体及车载设备产生破坏，诱发严重事故，影响轨道交通车辆的安全性能，因此对车辆动力学的设计是轨道交通设计与生产中的重要方面。而在轨道交通车辆的动力学的设计中，模态分析是对机械结构进行分析的一个重要方面。模态是机械结构在外部激励下对各个频率的动态响应，是结构本身所固有的振动属性。

1试验模态分析基础理论

2试验模态方法

试验模态分析是通过在实验室对被测样品进行激励，同时采集其响应信号，并对其进行FFT变换求得其频响函数（传递函数）或脉冲函数，通过拟合得到所测系统的模型；最后运用参数识别的方法，计算出结构系统的模态参数信息，从而建立机械结构动态模型，为机械结构进行动力学分析及机械设计与改进提供支撑于依据。

正则振型试验法（NMT）和频响函数法（FRF）是试验模态分析的两种不同试验方法：本文采用FRF频响函数法对地铁车体做模态试验分析。该方法将振动激励和其响应的时域信号数据经快速傅里叶变换FFT转化为频域数据，对所建立的机械结构频响函数的数学模型进行曲线拟合，从频响函数求出所测系统模态参数，具有测试时间短且能够同时激励出全部模态的优点。而由于地铁车辆车体具有体积和质量较为庞大且结构较为复杂等特点，选用多点激励多点采集（MIMO）的模态试验方案，重点关注车体在垂向激励下的一阶模态。试验系统由计算机、数据采集系统、功率放大器、激振器、传感器及被测对象等几部分组成，系统框图如图1所示，所用到的测试仪器如表1所示。

采用四个激振器垂向激振，激振位置分别位于地铁车体一位端和二位端的枕梁位置两侧。传感器如图2所示进行布置，粘贴于地铁车体表面，同激振方向保持一致。

对于地铁车辆的支撑方式，用四个橡胶堆支撑于车辆的一系簧位置，保证车体的稳定，并模拟车体的自由-自由边界状态。激励时，根据相关标准要求及经验，地铁车辆的车体模态测试中采用0-40Hz的白噪声进行激励。

4试验结果

以上文中试验方法进行试验。图3所示为地铁车辆某一断面测点相干性。从图中可以看出在所关注的频率范围内的相干性较好。

相干性试验测得地铁车辆的频率及其振型描述如表2所示，其部分振型示意图如图3至图8所示。

5试验结果验证

在试验模态分析中，任何试验测试的结果因试验中操作以及安装、工装等的差异均与实际情况有所差别，存在一定误差，故采用模态判定准则（MAC）进行试验结果验证。

MAC是用于比较不同组估计振型或研究同一组中各个估计模态的正确性的工具，MAC矩阵中含有不同模态向量对的MAC值。若其描述同一物理振型的估计，则模态判定准则应接近于100%或1，而描述不同振型估计的两个向量的模态判定准则在理想状态下应该为0，而实际中一般较小（小于10%）。

如图10所示，为本次测试的MAC矩阵。由表中可知，同一模态的模态判定准则为100%，而不同模态之间的模态判定准则均小于10%，说明本次试验结果可信。

6总结

模态分析是机械结构动态特性分析中较为常用的方法，在产品的动力学分析与设计、结构的振动与噪声控制方面具有重要作用。本文采用的多点激振多点拾振的方法所进行的某地铁车体的模态测试，测试结果具有較强准确度与可信性。

参考文献

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