高速動車組車體振動控制與應(yīng)變模態(tài)分析.pdf

1、高速列車運行過程中的振動直接影響著列車運行安全性和乘客乘坐的舒適性，由于列車輕量化設(shè)計及高速化運行，使得列車各部件彈性振動，尤其是車體的彈性振動引起的安全性與舒適性問題越來越突出。列車振動引起結(jié)構(gòu)聯(lián)接松動、噪聲增大，部件產(chǎn)生裂紋萌生、擴展，使結(jié)構(gòu)的疲勞壽命急劇降低，嚴(yán)重影響列車運行安全。軌道激擾是列車產(chǎn)生振動的激振源，因為軌道不平順的隨機性與復(fù)雜性，使車輛振動也具有隨機性與復(fù)雜性。因此，對于彈性效應(yīng)下車輛的振動特性、振動評價、減振方法的

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

3、個方面:
　　1)建立二維歐拉—伯努利梁模型和三維剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，在頻域內(nèi)研究彈性效應(yīng)下的振動特性及其傳遞關(guān)系。分析結(jié)果表明，在特定軌道不平順波長激勵下，車體對稱模態(tài)響應(yīng)為零而反對稱模態(tài)響應(yīng)最大，反對稱模態(tài)響應(yīng)為零而對稱模態(tài)響應(yīng)最大，當(dāng)車體模態(tài)頻率與激勵頻率一致時，車體會產(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，對車體振動貢獻最大，其共振速度與共振波長對列車運營有重要影響，速度越高，一階垂彎頻率要求越高。<

4、br>　　(2)通過線路振動加速度試驗數(shù)據(jù)分析了高速列車振動傳遞關(guān)系，并與車體振動仿真結(jié)果作了對比分析，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)、運行速度對車體運行平穩(wěn)性的影響。為提高運行平穩(wěn)性，設(shè)計了以4個懸掛參數(shù)為設(shè)計變量，以各點舒適度指標(biāo)的最大值為目標(biāo)函數(shù)的最小—最大優(yōu)化問題，采用K-S函數(shù)對其進行擬合，并對某高速列車作了優(yōu)化分析。為了減小振動、提高運行平穩(wěn)性，分別從結(jié)構(gòu)固有頻率設(shè)計、結(jié)構(gòu)模態(tài)、局部模態(tài)設(shè)計及傳遞函

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

6、少車體的振動，改善車輛的運行平穩(wěn)性。采用二系作動器可降低車體剛性振動，采用壓電作動器可降低車體彈性振動。速度越高，振動加速度抑制效果越明顯。相對于被動懸掛，基于魯棒控制器的車輛主動減振系統(tǒng)能有效的減小車體剛性及彈性振動，改善車輛運行平穩(wěn)性。
　　(4)在車體結(jié)構(gòu)強度設(shè)計和損傷診斷時，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)，通過車體等效垂向模型在無損及有損狀態(tài)下的位移模態(tài)及應(yīng)變