鐵道車輛柔剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制研究.pdf

1、高度機(jī)電一體化的高速電動(dòng)車組、鉸接式列車、擺式列車和磁浮列車的相繼投入使用，大大提升了軌道交通運(yùn)輸行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，體現(xiàn)了軌道交通“快捷、安全、舒適、經(jīng)濟(jì)”的技術(shù)特征和優(yōu)勢(shì)。但是在這一智能化、高速化和輕型化的發(fā)展過程中，出現(xiàn)了許多新的工程問題，如由于車輛結(jié)構(gòu)柔性的增加和運(yùn)行速度的提高引起了零部件結(jié)構(gòu)振動(dòng)的加劇，引起結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力增大，導(dǎo)致零部件非正常裂紋出現(xiàn)和結(jié)構(gòu)疲勞壽命可靠性的下降，引起車輛運(yùn)行穩(wěn)定性和舒適性和安全性的惡化。這些現(xiàn)象

2、說明過去采用的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型已不能全面的評(píng)價(jià)車輛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能，因此如何提出合理的模型和分析方法來解決這些問題，滿足車輛工程設(shè)計(jì)和運(yùn)用兩方面的需求，是鐵道車輛動(dòng)力學(xué)和控制的理論研究必須解決的重要問題之一，本文將開展基于柔剛體系統(tǒng)的車輛動(dòng)力學(xué)和主動(dòng)控制方面的研究，重點(diǎn)研究柔剛體結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)疲勞的影響，研究結(jié)構(gòu)振動(dòng)的控制和車輛運(yùn)行平穩(wěn)性控制問題。設(shè)計(jì)者有望運(yùn)用這一模型和分析方法，借助于虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)(

3、VPD)技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段來評(píng)估和預(yù)測(cè)車輛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能、零部件疲勞壽命和可靠性。本文首先針對(duì)輪對(duì)、構(gòu)架和車體等部件的約束和受力特點(diǎn)，運(yùn)用部件模態(tài)綜合方法，提取合理的李茲模態(tài)基，將這些部件的彈性模態(tài)自由度與車輛系統(tǒng)的剛體自由度按照柔性多體動(dòng)力學(xué)理論，通過約束處理，建立耦合的車輛柔剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形和動(dòng)應(yīng)力分析。推導(dǎo)了基于歐拉梁車體簡(jiǎn)化模型的車輛垂直柔剛體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程，用來研究車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和車體結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主動(dòng)

4、控制。本文通過對(duì)車輛柔剛體系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)仿真，獲得結(jié)構(gòu)彈性模態(tài)坐標(biāo)下的時(shí)間歷程，并實(shí)現(xiàn)在多體動(dòng)力學(xué)仿真中直接獲得相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)動(dòng)應(yīng)力時(shí)間歷程，以此為基礎(chǔ)，提出了鐵道車輛關(guān)鍵零部件動(dòng)應(yīng)力、疲勞壽命預(yù)測(cè)和可靠性計(jì)算的方法和途徑。首先取得各工況單獨(dú)仿真的結(jié)果，再按照載荷條件和運(yùn)用頻次，形成動(dòng)應(yīng)力載荷譜，進(jìn)行疲勞評(píng)估。作為應(yīng)用實(shí)例，對(duì)提速專用貨車轉(zhuǎn)向架交叉桿組成的動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)典型工況的仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。

5、最后按照線性疲勞損傷理論估算了交叉桿組成的疲勞壽命。本文針對(duì)鉸接式車輛的特點(diǎn)，建立了具有柔性耦合輪對(duì)走行系統(tǒng)鉸接式兩車動(dòng)力學(xué)模型，分析了柔性耦合輪對(duì)走行系統(tǒng)的徑向原理，提出了耦合輪對(duì)連接參數(shù)的設(shè)計(jì)原則，研究表明：柔性耦合輪對(duì)走行系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)幾乎理想的徑向曲線通過，既使在輪軌摩耗到限、抗蛇行減振器失效等最不利條件下，仍可以滿足運(yùn)行速度160km/h的需要。它可以很好地解決傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架軸箱懸掛參數(shù)在穩(wěn)定性和曲線性能之間選擇上的矛盾

6、，本文還首次運(yùn)用柔性體模型，建立了雙柔性梁輪對(duì)直接耦合轉(zhuǎn)向架模型，研究顯示了這種轉(zhuǎn)向架在提供良好穩(wěn)定性方面的潛力。本文重點(diǎn)研究了基于柔剛體模型車體結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制和車輛運(yùn)行平穩(wěn)性半主動(dòng)控制問題，提出了基于最優(yōu)控制理論(LQR)下的獨(dú)立模態(tài)空間控制(IMSC)策略，在Matlab/Simulink(R)環(huán)境下建立了車輛半主動(dòng)控制混合仿真模型，研究結(jié)果顯示：采用RVSMR磁流變阻尼器的車輛平穩(wěn)性半主動(dòng)控制方式，通過IMSC的最優(yōu)控