[发明专利]轨道车辆车体结构模态贡献度计算方法

说明书

本发明提供一种轨道车辆车体结构模态贡献度计算方法。本发明方法，包括如下步骤：建立车体有限元模型，将车体划分为预设的若干零部件或整体部件，根据零部件的数量确定部件内的设计变量；通过有限单元法计算车体低阶模态频率；求解车体低阶模态频率对某零部件或整体部件内各设计变量灵敏度；对某零部件或整体部件内模态对设计变量灵敏度求和，得到所求部件模态贡献度。本发明通过车体模态贡献度可以快速评估在车体设计或者减重设计中车体模态频率的变化，使车体减重设计和模态设计相统一。模态部件贡献度可以定量的、清晰的表示出构成车体的某一零部件或者整体部件对车体模态频率的影响大小，快速准确描述对车体模态影响的关键部位和次要部位。

技术领域

本发明涉及轨道车辆车体设计技术领域，具体而言，尤其涉及一种轨道车辆车体结构模态贡献度计算方法。

背景技术

轨道车辆包括普通客车、高速列车及铁路货车，轨道车辆车体结构为筒形整体结构，包括车顶、侧墙、底架、底架边梁、端墙、牵枕缓6个整体部件，每个整体部件包括若干铝型材小部件。轨道车辆低阶模态是车体结构设计中的关键问题，模态频率低会导致车体振动增加，降低疲劳寿命，影响乘坐舒适性及安全性。

现有技术中，广泛使用的是车体结构模态灵敏度，但模态灵敏度是计算车体模态对单一设计变量的敏度，或者通过灵敏度进行车体优化设计，车体结构模态灵敏度是车体模态频率随结构参数的变化率，即车体结构模态频率对车体某一结构参数的导数，模态灵敏度只能表示结构模态随某一个板件结构参数的变化程度，灵敏度是对某一个结构设计变量来说的，只能表示某一局部单个结构，即某一个零件结构对车体模态频率的影响，并不能表示出车体某一部件或者某一整体部件对车体模态的影响程度；轨道车辆车体结构为筒形整体承载结构，在车体减重的同时可能会导致车体模态频率的降低，车体减重和提高车体模态频率往往相互矛盾。车体模态部件贡献度表示的是某一包含若干板件的部件或者整体部件对车体某阶模态的定量影响指标，相比模态灵敏度更能快速、全面反应出对车体模态影响的结构部位。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种轨道车辆车体结构模态贡献度计算方法。本发明通过将车体某阶模态对各部件内包括的设计变量灵敏度求和，得到车体某阶模态对某部件的部件灵敏度，即部件模态贡献度，实现了车体结构模态对各部件或整体部件的模态指标分解，得到了车体部件或整体部件对车体模态影响的量化指标。该发明可以应用于轨道客车、铁路货车车体结构的设计中，通过部件及整体部件贡献度，快速分析部件及整体部件对车体各阶模态的贡献度，定量的分析出对车体各阶模态影响大的结构部位，并采取针对性的结构修改措施，提高车体低阶模态频率。

本发明采用的技术手段如下：

一种轨道车辆车体结构模态贡献度计算方法，包括如下步骤：

S1、建立车体有限元模型，将车体划分为预设的若干零部件或整体部件，根据零部件内板件数量确定部件内的设计变量；

S2、通过有限单元法计算车体低阶模态频率；

S3、求解车体低阶模态频率对某零部件或整体部件内各设计变量灵敏度；

S4、对某零部件或整体部件内模态对设计变量灵敏度求和，得到所求部件模态贡献度，所述部件模态贡献度表示了车体某一部件对车体模态的影响程度的指标。

进一步地，所述整体部件包括车体底架、侧墙、车顶、底架边梁、端墙和牵枕缓，所述零部件为构成车体的任一铝型材或者包含若干零件的局部结构。

进一步地，所述步骤S3具体为：

车体某阶模态频率对某一设计变量x_k灵敏度计算式为

式中[K]、[M]分别为车体结构刚度矩阵和结构质量矩阵；λ_i为车体结构第i个模态频率，{φ_i}为车体结构第i个振型向量；