浅谈模态测试在高速列车车体振动分析中的应用

张向海 郭 璇 李成福

中车长春轨道客车股份有限公司

浅谈模态测试在高速列车车体振动分析中的应用

张向海 郭 璇 李成福

中车长春轨道客车股份有限公司

利用模态测试技术可以对车体的振动进行动态分析和评价，此测试技术是高速列车车体结构动态设计与整车性能优化的重要方法。本文对高速列车A车车体的模态试验过程和结果进行了描述，并获得了A车车体的模态参数，为车体动态性能分析与设计提供了试验依据。

模态；高速列车；试验

1 引言

随着高速铁路的快速发展，车体轻量化设计凭借降低制造成本以及减小轮轨相互作用力等优点己被普遍采用，但轻量化设计会导致车体结构整体刚度减弱，从而导致车体发生异常振动。因此，高速列车车体的安全问题备受关注。如何在“高速”和“安全”中求得一个平衡至关重要。本文对模态测试技术在高速列车A车车体振动分析中的应用进行阐述，通过模态测试技术中获得的模态参数，可以对车体的结构设计参数进行优化和改进，以提供车体的动态性能。

2 测试原理与模态参数识别方法

测试采用电动激振原理测量车体振动模态参数，当电动激振器激励车体结构时，车体产生振动。经数据采集系统采集激振力和各测点的加速度响应时域信号。经数据处理可得激振的力谱和车体结构上的响应与激励相对应的加速度谱。由于激振力谱是通过信号发生器产生有限带宽激励谱，在车体结构上的响应是与激励相对应带宽加速度谱。通过测试信号进行自功率谱和互功率谱计算；根据多次平均，用HV估计法求得频响函数的最小二乘近似值，得出激振产生的各点频响函数[1]。

根据测量的各测点频响函数，运用模态参数识别原理，对车体的振动固有频率、振型和阻尼进行参数识别。本试验运用比利时LMS Test.Lab Modal Analysis and PolyMAX(最小二乘复频域法)模态分析软件模块进行参数识别。

3 测试点的选取

测点布置的原则分为两部分：一是布置于车体主要框架、车体底部纵梁上；二是布置于车体底架、侧墙和车顶。车体分为12个断面，每个断面共12个测点，共布置144个测点。

表1 高速列车A车车体模态频率、阻尼比与振型分析

4 试验过程

(1)布置测点并应用软件建立几何模型；

(2)安装电磁激振器和加速度传感器；

(3)测试系统调试并进行预试验：

(4)各测点频响函数试验，监测各测点相干函数和频响函数；

(5)模态分析预处理；

(6)对测量结果不理想测点进行分析和补测频响函数；

(7)应用LMS Test.Lab Modal Analysis模块和PolyMAX模块进行模态分析。

5 试验结果及分析

5.1 模态参数识别

模态参数识别是采用最小二乘复频域法，计算各响应点对激励力的频响函数，然后把各测点的全部频响函数按幅值求和，使峰值信息集中在系统综合频响函数之和中，形成模态参数识别的稳态图。将所选频带宽度确定为5Hz-40Hz，在模态参数识别的稳态图“稳定极点”处选择极点，对选定的极点进行模态向量估计，最终得到A车车体结构模态频率、振型和阻尼比。

5.2 试验分析结果

高速列车A车车体结构模态频率、阻尼比与振型分析见表1。

6 结论

在高速列车A车车体振动分析中，采用模态测试技术对车体进行动态分析和评价已成为对车体性能优化进行评估的有效手段之一。试验分析表明：

(1)通过对高速列车A车车体结构进行模态试验和分析得到了被试车体结构的模态参数。

(2)基于Polymax算法产生的稳态图可以识别强阻尼和密集的模态。

(3)模态试验分析为车体动态性能分析与设计提供了试验依据，同时，对有限元结果起到了一定的验证作用，进而为车体的设计与改进提供依据。

[1]俞云书.结构模态试验分析[M].北京：宇航出版社，2000：15-67.