鐵道車輛柔剛體系統動力學及結構振動控制研究.pdf

1、高度機電一體化的高速電動車組、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輸行業(yè)競爭力，體現了軌道交通“快捷、安全、舒適、經濟”的技術特征和優(yōu)勢。但是在這一智能化、高速化和輕型化的發(fā)展過程中，出現了許多新的工程問題，如由于車輛結構柔性的增加和運行速度的提高引起了零部件結構振動的加劇，引起結構動應力增大，導致零部件非正常裂紋出現和結構疲勞壽命可靠性的下降，引起車輛運行穩(wěn)定性和舒適性和安全性的惡化。這些現象

2、說明過去采用的多剛體系統動力學模型已不能全面的評價車輛系統的動力學性能，因此如何提出合理的模型和分析方法來解決這些問題，滿足車輛工程設計和運用兩方面的需求，是鐵道車輛動力學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的車輛動力學和主動控制方面的研究，重點研究柔剛體結構振動對車輛系統動力學性能、結構疲勞的影響，研究結構振動的控制和車輛運行平穩(wěn)性控制問題。設計者有望運用這一模型和分析方法，借助于虛擬產品設計(

3、VPD)技術，在設計階段來評估和預測車輛系統的動力學性能、零部件疲勞壽命和可靠性。本文首先針對輪對、構架和車體等部件的約束和受力特點，運用部件模態(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)自由度與車輛系統的剛體自由度按照柔性多體動力學理論，通過約束處理，建立耦合的車輛柔剛體系統動力學模型，進行結構變形和動應力分析。推導了基于歐拉梁車體簡化模型的車輛垂直柔剛體系統運動方程，用來研究車輛運行平穩(wěn)性和車體結構振動的主動

4、控制。本文通過對車輛柔剛體系統非線性動力學仿真，獲得結構彈性模態(tài)坐標下的時間歷程，并實現在多體動力學仿真中直接獲得相應的結構模態(tài)動應力時間歷程，以此為基礎，提出了鐵道車輛關鍵零部件動應力、疲勞壽命預測和可靠性計算的方法和途徑。首先取得各工況單獨仿真的結果，再按照載荷條件和運用頻次，形成動應力載荷譜，進行疲勞評估。作為應用實例，對提速專用貨車轉向架交叉桿組成的動應力進行了仿真分析，并對典型工況的仿真分析和試驗結果進行了比較。

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。本文針對鉸接式車輛的特點，建立了具有柔性耦合輪對走行系統鉸接式兩車動力學模型，分析了柔性耦合輪對走行系統的徑向原理，提出了耦合輪對連接參數的設計原則，研究表明：柔性耦合輪對走行系統可以實現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，仍可以滿足運行速度160km/h的需要。它可以很好地解決傳統轉向架軸箱懸掛參數在穩(wěn)定性和曲線性能之間選擇上的矛盾

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