CN107463734B - 动车组车体模态计算方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种动车组车体模态计算方法及装置，该方法包括：根据动车组车体各部位样件的几何尺寸参数计算各部位等效的中间层的各项异性材料的属性参数；将动车组车体划分为单层壳网格；获取每个网格的上表面层参数、下表面层参数及中间层的各项异性材料的属性参数；将上表面层参数、下表面层参数及中间层的各项异性材料的属性参数输入到整车模态模型中，计算动车组的车体模态。由于通过各部位样件将各部件的中间层等效为了各项异性材料，由以前常规车体铝合金结构网格简化成了等效后的面网格对车体进行模态计算，所以缩短了模态计算的时间，提高了车体模态计算的效率。

Description

动车组车体模态计算方法及装置
技术领域
本发明实施例涉及动车组技术领域，尤其涉及一种动车组车体模态计算方法及装置。
背景技术
轻量化铝合金车体制造技术是动车组关键技术之一。动车组的铝合金车体由结构采用大断面铝合金型材焊接而成。动车组车体包括车顶、侧墙、端墙、地板、边梁等部分组成。其能承受垂直、纵向、横向。扭转等载荷。其中，车顶、侧墙、端墙、地板的铝合金结构相同。边梁部分的铝合金结构较为复杂。图1为现有技术动车组的铝合金大部分车体的截面结构示意图，如图1所示，车顶、侧墙、端墙、地板的铝合金车体由上表面层11、中部的空气和加筋结构层12及下表面层13构成。
对动车组车体模态的计算在动车组的设计中是必不可少的环节。对动车组的常规车体模态计算中，将三维实体模型转换为有限元网格。
由于在转换过程中需要保证型材的中部的加筋结构网格质量，采用LANCZOS方法在惠普Z600工作站进行常规车体模态的计算的时间需要3小时，计算的网格数量多达100万个。所以常规的车体模态计算需要耗费大量的时间，降低了车体模态计算的效率。
发明内容
本发明实施例提供一种动车组车体模态计算方法及装置，解决了现有技术中的常规车体模态的计算方法需要耗费大量的时间，降低车体模态计算的效率的技术问题。
本发明实施例提供一种动车组车体模态计算方法，包括：
根据动车组车体各部位样件的几何尺寸参数计算各部位等效的中间层的各项异性材料的属性参数；
将动车组车体划分为单层壳网格；
获取每个网格的上表面层参数、下表面层参数及所述中间层的各项异性材料的属性参数；
将所述上表面层参数、下表面层参数及中间层的各项异性材料的属性参数输入到整车模态模型中，计算动车组的车体模态。
本发明实施例提供一种动车组车体模态计算装置，包括：
等效参数计算模块，用于根据动车组车体各部位样件的几何尺寸参数计算各部位等效的中间层的各项异性材料的属性参数；
划分模块，用于将动车组车体划分为单层壳网格；
获取模块，用于获取每个网格的上表面层参数、下表面层参数及所述中间层的各项异性材料的属性参数；
整车模态计算模块，用于将所述上表面层参数、下表面层参数及中间层的各项异性材料的属性参数输入到整车模态模型中，计算动车组的车体模态。
本发明实施例提供一种动车组车体模态计算及装置，通过根据动车组车体各部位样件的几何尺寸参数计算各部位等效的中间层的各项异性材料的属性参数；将动车组车体划分为单层壳网格；获取每个网格的上表面层参数、下表面层参数及中间层的各项异性材料的属性参数；将上表面层参数、下表面层参数及中间层的各项异性材料的属性参数输入到整车模态模型中，计算动车组的车体模态。由于通过各部位样件将各部件的中间层等效为了各项异性材料，由以前常规车体铝合金结构网格简化成了等效后的面网格对车体进行模态计算，所以缩短了模态计算的时间，提高了车体模态计算的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为现有技术动车组的铝合金大部分车体的截面结构示意图；
图2为本发明动车组车体模态计算方法实施例一的流程图；
图3为本发明实施例一中等效中间层后的部件样本的截面结构示意图；
图4为本发明动车组车体模态计算方法实施例二的流程图；
图5为本发明动车组车体模态计算装置实施例一的结构示意图；
图6为本发明动车组车体模态计算装置实施例二的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
图2为本发明动车组车体模态计算方法实施例一的流程图，如图3所示，则本实施例提供的动车组车体模态计算方法包括以下几个步骤。
步骤201，根据动车组车体各部位样件的几何尺寸参数计算各部位等效的中间层的各项异性材料的属性参数。
本实施例中，各部件包括以下任意一种部件：车顶、侧墙、端墙、地板。
其中，部件样件可以为1m*1m大小的样件，也可以为其他大小的样件，本实施例中对此不做限定。
本实施例中，表1为地板样件的集合尺寸参数示意表，如表1所示，各部件的几何尺寸参数包括：表面板间距、波纹芯与表面夹角、表面板厚度、加筋层板厚度。
表1：地板样件的几何尺寸参数示意表
Figure BDA0001356306610000041
本实施例中，图3为本发明实施例一中等效中间层后的部件样本的截面结构示意图，如图3所示，等效中间层后的部件样本包括：上表面层11、等效中间层31及下表面层13。其中，等效中间层31为各项异性材料层。
表2为等效的中间层的各项异性材料的属性参数示意表，如表2所示，中间层的各项异性材料的属性参数包括：各项异性材料的弹性模量、表2中包括：EX、EY、EZ，剪切模量，表2中包括：GXY、GYz、GZX，泊松比。表2中包括：VXY、VYz、VZX和密度，表2中包括：ρe。
表2：等效的中间层的各项异性材料的属性参数示意表
Figure BDA0001356306610000042
本实施例中，将各部位样件的几何尺寸参数带入到等效公式中进行计算各部位等效的中间层的各项异性材料的属性参数。其中等效公式为现有技术，在此不再一一赘述。
步骤202，将动车组车体划分为单层壳网格。
具体地，本实施例中，通过动车组CAD平断面图找出断面轮廓关键点的坐标值及车窗、门关键点坐标，并输入到VAone软件中，有点生成面，通过复制粘贴操作完成结构子系统，由结构子系统自动设置生成FE模型，进而将动车组车体划分为单层壳网格。在单层壳网格中每个网格包括三层参数，分别为上表面层参数，中间层参数及下表面层参数。
步骤203，获取每个网格的上表面层参数、下表面层参数及中间层的各项异性材料的属性参数。
具体地，本实施例中，由于根据动车组车体各部位样件的几何尺寸参数计算各部位等效的中间层的各项异性材料的属性参数，所以获取每种部件的等效的中间层的各项异性材料的属性参数，并带入对应的每个网格的中间层参数中。
其中，上表面层参数及下表面层参数包括表面层的厚度，还可以包括其他参数，本实施例中对此不做限定。
步骤204，将上表面层参数、下表面层参数及中间层的各项异性材料属性参数输入到整车模态模型中，计算动车组的车体模态。
具体地，本实施例中，在整车模态模型中输入上表面层参数、下表面层参数及中间层各项异性材料属性参数，通过计算，可计算出动车组的车体模态。
本实施例提供的动车组车体模态计算方法，通过根据动车组车体各部位样件的几何尺寸参数计算各部位等效的中间层的各项异性材料的属性参数；将动车组车体划分为单层壳网格；获取每个网格的上表面层参数、下表面层参数及中间层的各项异性材料的属性参数；将上表面层参数、下表面层参数及中间层的各项异性材料的属性参数输入到整车模态模型中，计算动车组的车体模态。由于通过各部位样件将各部件的中间层等效为了各项异性材料，由以前常规车体铝合金结构网格简化成了等效后的面网格对车体进行模态计算，所以缩短了模态计算的时间，提高了车体模态计算的效率。
图4为本发明动车组车体模态计算方法实施例二的流程图，如图4所示，本实施例提供的动车组车体模态计算方法，是在本发明动车组车体模态计算方法实施例一的基础上，还包括了对等效的中间层的各项异性材料的属性参数进行优化的步骤，则本实施例提供的动车组车体模态计算方法包括以下步骤。
步骤401，根据动车组车体各部位样件的几何尺寸参数计算各部位等效的中间层的各项异性材料的属性参数。
其中，各部件包括以下任意一种部件：车顶、侧墙、端墙、地板。
需要说明的是，动车组车体的部位为边梁，由于边梁的铝合金结构较为复杂，不能计算等效的中间层的各项异性材料的属性参数，则采用LANCZOS方法进行边梁原有结构类型的有限元计算。
步骤402，根据等效的中间层的各项异性材料的属性参数采用等效方法进行各部位样件的前预设阶数的模态计算，以获得前各部位样件各阶数的第一固有频率。
其中，预设阶数可以为3，也可以为5或其他数值，本实施例中对此不做限定。
本实施例中，采用等效方法将各部位样件中间层的各项异性材料的属性参数以及上表面层参数及下表面层参数输入到前预设阶数的模态计算模型中，得到各部位样件的前预设阶数的振型和固有频率。还可得到模态振型阻尼比和损耗因子等数据。
其中，采用等效方法进行各部位样件的前预设阶数的模态计算获得的各阶数的频率为第一固有频率。
步骤403，采用各部位样件原结构类型的有限元计算的方法进行各部位样件的前预设阶数的模态计算，以获得各部位样件各阶数的第二的固有频率。
具体地，采用各部位样件原结构类型的有限元计算的方法将各部位样件中间层的参数以及上表面层参数及下表面层参数输入到前预设阶数的模态计算模型中，得到各部位样件的前预设阶数的振型和固有频率。还可得到模态振型阻尼比和损耗因子等数据。
其中，采用原结构类型的有限元计算的方法进行各部位样件的前预设阶数的模态计算获得的各阶数的频率为第二固有频率。
例如，原结构类型的有限元计算的方法计算进行前2阶的模态计算，获得部件的第一阶数的振型为板件一阶弯曲振型，第二固有频率为300Hz，板件的第二阶数的振型为扭转振型，第二固有频率为415Hz。
步骤404，将各部位样件的各阶数的第一固有频率和第二固有频率进行比较，判断某一个或多个阶数的第一固有频率和第二固有频率的差值绝对值是否大于预设阈值，若是，则执行步骤405，否则，执行步骤406。
进一步地，本实施例中，将等效方法的各阶数第一固有频率与原结构类型的有限元计算的方法的固有频率进行对比，若相同阶次的固有频率的差值绝对值均小于预设阈值，则确定各阶数的固有频率相匹配，否则确定某一阶或多阶的固有频率不匹配。
其中，预设阈值通过多次试验后寻优确定，本实施例中对具体数值不做限定。
步骤405，对中间层的各项异性材料的弹性模量、剪切模量进行优化。
进一步地，对中间层的各项异性材料的弹性模量、剪切模量进行优化，具体包括：
以各部件样件的各阶数的第二固有频率为目标，以弹性模量及剪切模量为优化变量，以各部件样件的总质量不变为约束条件，进行弹性模量及剪切模量的优化，以使各部件样件的各阶数的第一固有频率与第二固有频率的差值绝对值小于预设阈值。
其中，进行优化的算法可以为正则化表达式或其他优化算法，本实施例中对此不做限定。
步骤406，将动车组车体划分为单层壳网格。
步骤407，获取每个网格的上表面层参数、下表面层参数及中间层的各项异性材料的属性参数。
需要说明的是，若对各部位等效的中间层的各项异性材料的属性参数进行了优化，则各部位等效的中间层的各项异性材料的属性参数中弹性模量、剪切模量为分别为优化后的弹性模量和优化后的剪切模量。
步骤408，将上表面层参数、下表面层参数及中间层的各项异性材料的属性参数输入到整车模态模型中，计算动车组的车体模态。
本实施例中，步骤406-步骤408的实现方式与本发明动车组车体模态计算方法实施例一中的步骤202-步骤204的实现方式相同，在此不再一一赘述。
本实施例提供的动车组车体模态计算方法，在根据动车组车体各部位样件的几何尺寸参数计算各部位等效的中间层的各项异性材料的属性参数之后，根据等效的中间层的各项异性材料的属性参数采用等效方法进行各部位样件的前预设阶数的模态计算，以获得前各部位部件各阶数的第一固有频率；采用各部位样件原结构类型的有限元计算的方法进行各部位样件的前预设阶数的模态计算，以获得各部位样件各阶数的第二的固有频率，将各部位样件的各阶数的第一固有频率和第二固有频率进行比较，判断某一阶或多阶的第一固有频率和第二固有频率的差值绝对值是否大于预设阈值，若是，则对中间层的各项异性材料的弹性模量、剪切模量进行优化，所以使各部位等效的中间层的各项异性材料能够更准确地表示各部位样件的中间层，在进行动车组的车体模态后，无需采用试制的铝合金车体进行测试，大大节约了成本。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
图5为本发明动车组车体模态计算装置实施例一的结构示意图，如图5所示，本实施例提供的动车组车体模态计算装置包括：等效参数计算模块51，划分模块52，获取模块53，整车模态计算模块54。
其中，等效参数计算模块51，用于根据动车组车体各部位样件的几何尺寸参数计算各部位等效的中间层的各项异性材料的属性参数。划分模块52，用于将动车组车体划分为单层壳网格。获取模块53，用于获取每个网格的上表面层参数、下表面层参数及中间层的各项异性材料的属性参数。整车模态计算模块54，用于将上表面层参数、下表面层参数及中间层的各项异性材料的属性参数输入到整车模态模型中，计算动车组的车体模态。
本实施例提供的动车组车体模态计算装置可以执行图2所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
图6为本发明动车组车体模态计算装置实施例二的结构示意图，如图6所示，本实施例提供的动车组车体模态计算装置在本发明动车组车体模态计算装置实施例一的基础上，进一步地，还包括：第一部位模态计算模块61，第二部位模态计算模块62，参数优化模块63，边梁中间层参数计算模块64。
其中，各项异性材料的属性参数包括：各项异性材料的弹性模量、剪切模量、泊松比和密度。
进一步地，第一部位模态计算模块61，用于根据等效的中间层的各项异性材料的属性参数采用等效方法进行前预设阶数的模态计算，以获得各部位部件各阶数的第一固有频率。第二部位模态计算模块62，用于采用各部位样件原结构类型的有限元计算的方法进行各部位样件的前预设阶数的模态计算，以获得各部位样件各阶数的第二的固有频率。参数优化模块63，用于将各部位样件的各阶数的第一固有频率和第二固有频率进行比较；若某一个或多个阶数的第一固有频率和第二固有频率的差值绝对值大于预设阈值，则对中间层的各项异性材料的弹性模量、剪切模量进行优化。
进一步地，参数优化模块63，具体用于：以各部件样件的各阶数的第二固有频率为目标，以所述弹性模量及所述剪切模量为优化变量，以各部件样件的总质量不变为约束条件，进行所述弹性模量及所述剪切模量的优化，以使各部件样件的各阶数的第一固有频率与第二固有频率的差值绝对值小于预设阈值。
进一步地，边梁参数计算模块64，用于若动车组车体的部位为边梁，则采用LANCZOS方法进行边梁原有结构类型的有限元计算。
本实施例提供的动车组车体模态计算装置可以执行图4所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种动车组车体模态计算方法，其特征在于，包括：
根据动车组车体各部位样件的几何尺寸参数计算各部位等效的中间层的各项异性材料的属性参数；
将动车组车体划分为单层壳网格；
获取每个网格的上表面层参数、下表面层参数及所述中间层的各项异性材料的属性参数；
将所述上表面层参数、下表面层参数及中间层的各项异性材料的属性参数输入到整车模态模型中，计算动车组的车体模态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各项异性材料的属性参数包括：各项异性材料的弹性模量、剪切模量、泊松比和密度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据动车组车体所述各部位样件的几何尺寸参数计算各部位等效的中间层的各项异性材料的属性参数之后，还包括：
根据等效的中间层的各项异性材料的属性参数采用等效方法进行所述各部位样件的前预设阶数的模态计算，以获得所述各部位样件各阶数的第一固有频率；
采用所述各部位样件原结构类型的有限元计算的方法进行所述各部位样件的前预设阶数的模态计算，以获得所述各部位样件各阶数的第二固有频率；
将所述各部位样件的各阶数的第一固有频率和第二固有频率进行比较；
若某一个或多个阶数的第一固有频率和第二固有频率的差值绝对值大于预设阈值，则对中间层的各项异性材料的弹性模量、剪切模量进行优化。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对中间层的各项异性材料的弹性模量、剪切模量进行优化，具体包括：
以各部位样件的各阶数的第二固有频率为目标，以所述弹性模量及所述剪切模量为优化变量，以所述各部位样件的总质量不变为约束条件，进行所述弹性模量及所述剪切模量的优化，以使所述各部位样件的各阶数的第一固有频率与第二固有频率的差值绝对值小于预设阈值。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，若动车组车体的部位为边梁，则还包括：
采用LANCZOS方法进行边梁原结构类型的有限元计算。
6.一种动车组车体模态计算装置，其特征在于，包括：
等效参数计算模块，用于根据动车组车体各部位样件的几何尺寸参数计算各部位等效的中间层的各项异性材料的属性参数；
划分模块，用于将动车组车体划分为单层壳网格；
获取模块，用于获取每个网格的上表面层参数、下表面层参数及所述中间层的各项异性材料的属性参数；
整车模态计算模块，用于将所述上表面层参数、下表面层参数及中间层的各项异性材料的属性参数输入到整车模态模型中，计算动车组的车体模态。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述各项异性材料的属性参数包括：各项异性材料的弹性模量、剪切模量、泊松比和密度。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：
第一部位模态计算模块，用于根据等效的中间层的各项异性材料的属性参数采用等效方法进行所述各部位样件的前预设阶数的模态计算，以获得所述各部位样件各阶数的第一固有频率；
第二部位模态计算模块，用于采用所述各部位样件原结构类型的有限元计算的方法进行所述各部位样件的前预设阶数的模态计算，以获得所述各部位样件各阶数的第二固有频率；
参数优化模块，用于将所述各部位样件的各阶数的第一固有频率和第二固有频率进行比较；若某一个或多个阶数的第一固有频率和第二固有频率的差值绝对值大于预设阈值，则对中间层的各项异性材料的弹性模量、剪切模量进行优化。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述参数优化模块，具体用于：以各部位样件的各阶数的第二固有频率为目标，以所述弹性模量及所述剪切模量为优化变量，以所述各部位样件的总质量不变为约束条件，进行所述弹性模量及所述剪切模量的优化，以使所述各部位样件的各阶数的第一固有频率与第二固有频率的差值绝对值小于预设阈值。
10.根据权利要求6-9任一项所述的装置，其特征在于，还包括：
边梁参数计算模块，用于若动车组车体的部位为边梁，则采用LANCZOS方法进行边梁原结构类型的有限元计算。
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某客车车架结构分析与优化;戚叶烽等;《汽车科技》;20170125(第1期);第55-59页 *
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