轨道车辆车体结构模态贡献度计算方法技术

本发明专利技术提供一种轨道车辆车体结构模态贡献度计算方法。本发明专利技术方法，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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
轨道车辆车体结构模态贡献度计算方法
本专利技术涉及轨道车辆车体设计
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。本专利技术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。该专利技术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。本专利技术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xk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；λi为车体结构第i个模态频率，{φi}为车体结构第i个振型向量；若某一部件包含多个设计变量，另一个设计变量表示为xj，则根据式(1)，模态频率λi对设计变量xj的灵敏度为：模态频率对这两个设计变量的灵敏度之和可以表示为将式(3)整理为结构第i阶模态频率对设计变量xj和xk灵敏度之和的形式：式(4)表示设计变量xj和xk同时增加或减小单位值时模态频率λi的变化，表示初值不同的两个或多个设计变量同时增加或减小单位值时对模态频率的影响，即为两个或多个设计变量组成的部件对模态频率的贡献度，该值为正值表示该部件内所有设计变量增加单位值时模态频率增加，该值为负值表示该部件内所有设计变量增加单位值时模态频率降低，该值越大表明该部件对模态频率影响越大。进一步地，车顶、侧墙、底架、底架边梁、端墙、牵枕缓分别用Xcd、Xcq、Xdj、Xdjbl、Xdq、Xqz表示，每个整体部件内板件数量分别为cdn、cqn、djn、djbln、dqn、qzn，作为设计变量时统一表示为：其中xcdk、xcqk、xdjk、xdjblk、xdqk、xqzk分别为相应整体部件内与第k个板件对应的设计变量，6个整体部件对车体第i个模态频率贡献度可表示为式中fi,cd、fi,cq、fi,dj、fi,djbl、fi,dq、fi,qz分别为车顶、侧墙、底架、底架边梁、端墙及牵枕缓对第i阶模态频率的贡献度。较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术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。目前广泛使用的模态灵敏度，只能计算分析某一个局部板件或者零件对车体模态的影响，并不能计算分析车体某一部件或者整体部件对车体模态的影响程度。基于上述理由本专利技术可在轨道车辆车体设计领域广泛推广。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术轨道车辆车体结构模态贡献度计算方法流程图。图2为本专利技术实施例轨道车辆车体结构模态贡献度具体计算方法流程图。图3为本专利技术实施例中动车组车体主体结构截面图。图4为本专利技术实施例中动车组车体主体结构中的端墙和牵枕缓结构。图5为本专利技术实施例中车体主体结构各铝型材模态部件贡献度示意图。图6为本专利技术对比例中的现有技术通过车体模态对车体主体结构型材所有36个设计变量的灵敏度示意图。图7为本专利技术实施例中车体结构各大体部件对车体模态贡献度示意图。图中：1、2、3为组成车顶的铝型材；4、5、6、7、8、9为组成车体侧墙的铝型材，10、11、12为组成车体底架的铝型材。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本专利技术的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轨道车辆车体结构模态贡献度计算方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种轨道车辆车体结构模态贡献度计算方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：车体低阶模态频率对某一设计变量xk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；λi为车体结构第i个模态频率，{φi}为车体结构第i个振型向量；若某一部件包含多个设计变量，另一个设计变量表示为xj，则根据式(1)，模态频率λi对设计变量xj的灵敏度为：模态频率对这两个设计变量的灵敏度之和可以表示为：将式...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，兆文忠，李永华，高月华，方吉，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21