高速動(dòng)車組車體振動(dòng)控制與應(yīng)變模態(tài)分析.pdf

1、高速列車運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)直接影響著列車運(yùn)行安全性和乘客乘坐的舒適性，由于列車輕量化設(shè)計(jì)及高速化運(yùn)行，使得列車各部件彈性振動(dòng)，尤其是車體的彈性振動(dòng)引起的安全性與舒適性問(wèn)題越來(lái)越突出。列車振動(dòng)引起結(jié)構(gòu)聯(lián)接松動(dòng)、噪聲增大，部件產(chǎn)生裂紋萌生、擴(kuò)展，使結(jié)構(gòu)的疲勞壽命急劇降低，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行安全。軌道激擾是列車產(chǎn)生振動(dòng)的激振源，因?yàn)檐壍啦黄巾樀碾S機(jī)性與復(fù)雜性，使車輛振動(dòng)也具有隨機(jī)性與復(fù)雜性。因此，對(duì)于彈性效應(yīng)下車輛的振動(dòng)特性、振動(dòng)評(píng)價(jià)、減振方法的

2、研究顯得尤為重要。
　　針對(duì)高速列車中的以上問(wèn)題，本文通過(guò)建立二維歐拉—伯努利梁模型和三維剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，系統(tǒng)研究了車輛在軌道激擾條件下的的動(dòng)力學(xué)行為。首先，在考慮車體彈性的基礎(chǔ)上，建立了車輛動(dòng)力學(xué)模型，采用頻域分析方法，分析車輛運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)特性與規(guī)律。其次，分別分析了列車懸掛參數(shù)優(yōu)化的被動(dòng)控制方法，車體安裝壓電智能元件、二系懸掛安裝主動(dòng)作動(dòng)器的主動(dòng)控制方法，減小車體振動(dòng)及提高運(yùn)行平穩(wěn)性。具體的，本文的研究工作主要有以下幾

3、個(gè)方面:
　　1)建立二維歐拉—伯努利梁模型和三維剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，在頻域內(nèi)研究彈性效應(yīng)下的振動(dòng)特性及其傳遞關(guān)系。分析結(jié)果表明，在特定軌道不平順波長(zhǎng)激勵(lì)下，車體對(duì)稱模態(tài)響應(yīng)為零而反對(duì)稱模態(tài)響應(yīng)最大，反對(duì)稱模態(tài)響應(yīng)為零而對(duì)稱模態(tài)響應(yīng)最大，當(dāng)車體模態(tài)頻率與激勵(lì)頻率一致時(shí)，車體會(huì)產(chǎn)生共振。一階垂彎模態(tài)頻率處車體相關(guān)頻響函數(shù)加速度傳遞率最大，對(duì)車體振動(dòng)貢獻(xiàn)最大，其共振速度與共振波長(zhǎng)對(duì)列車運(yùn)營(yíng)有重要影響，速度越高，一階垂彎頻率要求越高。<

4、br>　　(2)通過(guò)線路振動(dòng)加速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了高速列車振動(dòng)傳遞關(guān)系，并與車體振動(dòng)仿真結(jié)果作了對(duì)比分析，論證了仿真結(jié)果的正確性。分析了一系懸掛參數(shù)、二系懸掛參數(shù)、運(yùn)行速度對(duì)車體運(yùn)行平穩(wěn)性的影響。為提高運(yùn)行平穩(wěn)性，設(shè)計(jì)了以4個(gè)懸掛參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以各點(diǎn)舒適度指標(biāo)的最大值為目標(biāo)函數(shù)的最小—最大優(yōu)化問(wèn)題，采用K-S函數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合，并對(duì)某高速列車作了優(yōu)化分析。為了減小振動(dòng)、提高運(yùn)行平穩(wěn)性，分別從結(jié)構(gòu)固有頻率設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)模態(tài)、局部模態(tài)設(shè)計(jì)及傳遞函

5、數(shù)設(shè)計(jì)等方面研究了減小車體振動(dòng)、提高運(yùn)行平穩(wěn)性的有效性及具體措施。
　　(3)研究了基于二系布置垂向作動(dòng)器及車體布置壓電作動(dòng)器的高速動(dòng)車組車體振動(dòng)主動(dòng)控制方法，建立了考慮二系垂向作動(dòng)器及壓電作動(dòng)器的車輛剛?cè)狁詈蠑?shù)學(xué)模型，分析了壓電作動(dòng)器及壓電傳感器最優(yōu)位置布置，運(yùn)用魯棒最優(yōu)控制方法設(shè)計(jì)了反饋控制器。采用數(shù)值仿真方法分析了裝有主動(dòng)控制系統(tǒng)車輛的動(dòng)力學(xué)性能。仿真結(jié)果表明:基于二系垂向作動(dòng)器及車體壓電作動(dòng)器的魯棒最優(yōu)控制方法能夠有效的減

6、少車體的振動(dòng)，改善車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性。采用二系作動(dòng)器可降低車體剛性振動(dòng)，采用壓電作動(dòng)器可降低車體彈性振動(dòng)。速度越高，振動(dòng)加速度抑制效果越明顯。相對(duì)于被動(dòng)懸掛，基于魯棒控制器的車輛主動(dòng)減振系統(tǒng)能有效的減小車體剛性及彈性振動(dòng)，改善車輛運(yùn)行平穩(wěn)性。
　　(4)在車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和損傷診斷時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)的獲得是關(guān)鍵，而應(yīng)力狀態(tài)一般可通過(guò)應(yīng)變獲得。利用位移模態(tài)理論推導(dǎo)出應(yīng)變模態(tài)理論及其性質(zhì)，通過(guò)車體等效垂向模型在無(wú)損及有損狀態(tài)下的位移模態(tài)及應(yīng)變