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
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引言
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。
一、模态分析理论
1.1 模态分析介绍
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。
1.2 模态分析假设
模态分析基于以下几点假设:
1） 线性假设。假设被分析系统是线性的，即任意输入组合所引起的结构响应可等效于组合中各个输入分别作用于结构所引起的响应的叠加。
2） 时不变性假设。系统的振动特性是时不变量，计算的系数是与时间无关的常数，不会随着时间的变化而改变。
3）可观测性假设。系统为可观测系统，即系统动态特性所需要的全部数据都是可以测量的。
1.3无阻尼系统控制方程
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{?}。
二、有限元模型的建立
2.1PERA SIM结构分析模块
图1 计算模块选择
2.2建立CRH5列车转向架模型
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
2.3求解设置
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。
2.4提交计算文件
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。
三、计算结果分析
求解完成后进入后处理模块，用户可以加载计算结果后，查看各阶模态振型及固有频率。PERA SIM模态计算支持显示各阶模态的云图，同时可以选择不同的放大因子对云图结果进行缩放。
图4 加载计算结果
各阶模态振型如下所示：
图5 各阶模态振型
前六阶模态固有频率如下表所示：
表1 模态计算结果
四、结论
本文通过使用PERA SIM Mechanical结构分析软件，实现了对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。基于PERA SIM模态分析模块，用户可以通过简便的操作来完成对应结构的模态分析，并在后处理中直观地展示各阶模态云图，极大地提升了计算效率，对结构设计有重要参考意义。
作者：成都安世亚太乐奉献
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