基于PERA SIM的列车转向架模态分析

   

乐奉献

成都安世亚太

摘要：本文使用PERA SIM Mechanical结构分析软件，对CRH5动车组转向架结构进行模态分析，通过模型导入、网格划分、约束边界及求解参数设置等处理后快速求解，得到转向架结构的各阶模态频率和振型结果，并在后处理中直观地展示各阶模态云图。简便快捷的操作极大地提升了计算效率，对结构设计有重要参考意义。

关键词：模态分析  CRH5  PERA SIM  固有频率

转向架是列车行走的主要承载构件，其结构的不良振动会引起列车运行时的稳定性下降、振动噪声、结构强度和疲劳等一系列问题。特别是在轨道列车高速化的背景下，导致转向架构架在运行过程中出现的问题也急需解决。通过有限元工具对列车转向架进行模态分析，能得到转向架结构在各阶的模态振型和模态频率，对转向架的动态特性和结构设计具有理论指导意义。

模态指结构系统的固有振动特性，每一个模态都具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。模态分析是结构特性分析的一种方法，该方法通过试验或计算的办法来识别结构的固有振动特性，目前广泛应用于机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等领域。

无阻尼自由振动的线性控制方程为：  

 

 

 

假设谐振运动：  

 

 

 

在控制方程中代换｛u｝和｛ü｝，整理方程后得到特征值方程：  

 

 

 

根据方程可以计算出自然频率｛w｝和模态振型{∅}。  

打开PERA SIM Space，进入开始界面，选择模型类型。模型类型支持结构、流体、电磁和声学，接下来我们选择结构模型下的模态分析，选择三维建模空间，点击创建新模型进入模态分析模块。

图1  计算模块选择

PERA SIM支持用户导入几何和网格模型。几何模型数据格式支持IGES、STEP等格式，网格模型数据格式支持ANSYS、Fluent、Gambit等软件的网格格式，并支持用户自定义网格划分规则。本文通过使用PERA SIM Mechanical结构分析软件，直接导入几何文件对CRH5动车组转向架结构进行模态分析，导入的CRH5转向架结构模型如下图所示：

图2  导入几何模型

PERA SIM支持用户通过全局网格控制、局部网格控制、划分自适应网格以及网格质量检查等功能来划分网格。本次计算对象为CRH5动车转向架，对网格无特殊要求，选择自适应控制来自动划分结构网格，完成后的节点数量为18844，网格数量为58956，网格模型如下图所示：

图3  划分网格

进入PERA SIM“属性”模块，对整体结构赋予材料属性。PERA SIM自带常用材料数据库，用户可以直接调用其中的材料属性。这里我们选取结构钢的材料属性，添加到模型中，再创建实体截面属性，然后赋予给转向架结构。

进入PERA SIM “任务”模块，对模态分析进行分析任务设置。PERA SIM支持计算模态阶数和选取频率计算范围两种计算方式。本案例选择计算前六阶的模态结果。然后进入边界条件设置，按转向架实际工作条件，完成转向架边界约束设置。

进入“作业”模块，创建分析作业后，点击检查模型，对整体模型进行检查，帮助用户排除求解设置上的问题。检查无误后，点击提交计算进行求解。