基于无量纲分析的短型浮置板轨道隔振系统参数优化研究

摘要

地铁轨道交通给人们生活带来便利的同时，自身作为移动的振源，严重影响了轨道附近居民、建筑以及高精度的精密仪器。目前，能够在较宽频域范围内取得较好隔振效果的是浮置板轨道隔振方式，传统的隔振方式分为橡胶隔振和钢弹簧隔振(均属于被动隔振方式)。传统的被动隔振系统不能根据多变的激振载荷匹配出最优的隔振参数，而基于磁流变技术的隔振器隔振参数可随不同激励可调可控。因此，用磁流变隔振器代替传统的被动隔振器，为解决低频振动下的被动隔振参数不可调提供了解决方法。针对大型的浮置板轨道隔振系统在实验室研究花费高、不易操作且难以实现的问题，对其模型化研究就显得尤为必要。但简单的几何相似并不能反映出系统的动力学特性，基于无量纲分析的相似理论为解决工程问题模型化提供了方法。
　　本文以短型浮置板轨道隔振系统为研究对象，对不同振动形式下的隔振系统进行力学分析、优化建模和参数优化仿真，并根据相似理论搭建试验台架。通过仿真和试验相互验证基于无量纲分析的短型浮置板轨道隔振系统参数优化的有效性，主要内容如下：
　　(1)阐述了基于无量纲分析的短型浮置板轨道隔振系统参数优化的研究背景和意义，综述了轨道隔振、磁流变技术、相似理论以及参数优化的研究现状，在指出该领域中目前存在的若干问题的基础上，提出了论文的主要研究工作。
　　(2)在平直轨道段主要受垂向激振载荷的作用，将短型浮置板轨道隔振系统简化为单自由度隔振系统，并建立了单自由度的动力学模型。为使实际工程系统和台架试验系统相结合，从无量纲的角度对隔振系统进行优化建模。在多频多振幅的激励条件下，浮置板振动加速度的有效值(RMS)和传递到地基上的力的RMS作为优化目标，根据隔振系统的动态响应对多目标问题进行全局寻优，求得最佳隔振参数，进而确定最佳驱动电流。并通过相对加速度传递率对整个隔振系统在较宽的频域范围内进行优化前后的比较(优化前相当于橡胶被动隔振)。通过Matlab编写程序对其进行参数优化仿真，优化后的振动加速度的RMS相比于优化前减少了31.41％，优化后的传递到地基上力的RMS相比于优化前减少了58.75%。在整个较宽的频域范围内，优化后的隔振效果优于优化前的隔振效果。
　　(3)在轨道弯曲段或者倾斜段受各向激振载荷的作用，将短型浮置板轨道隔振系统看作多自由度隔振系统，建立了多自由度的动力学模型，并阐述了各向激振载荷产生的原因和特点。为使实际工程系统和台架试验系统相结合，将隔振系统的动力学模型进行无量纲化。为评价多自由度隔振系统在整个宽频范围内的隔振效果，将各向力传递率通过加权计算得到总的力传递率。
　　(4)从降低振动对周围环境的影响以及减少振动对列车反作用的影响角度出发，提出了多自由度短型浮置板轨道隔振的优化目标和约束条件。进而运用扩展的龙格—库塔方法求解动力学微分方程组，并设计求解多目标优化的并列遗传算法。运用Matlab编写多自由度参数优化程序，将扩展的龙格—库塔方法嵌入并列遗传算法中，求出多目标优化问题的Pareto解。优化后的隔振效果与优化前相比，优化后的横向振动加速度的RMS和传递到地基上力的RMS相比于优化前分别减少了33.49%和24.41%；垂向振动加速度的RMS和传递到地基上力的RMS相比于优化前分别减少了13.3%和27.47%。在整个较宽的频域范围内，优化后总的力传递率明显优于优化前的。
　　(5)为校正实际工程系统与台架试验系统的差距，基于无量纲分析的相似理论，从反映动力学特性的物理量量纲出发，推导出几何相似、运动相似、刚度阻尼相似和振源相似的相似关系。根据相似关系设计台架参数，并根据台架参数选择合适的器件，进而搭建试验台架。通过调整振动电机的位置模拟单自由度隔振和多自由度隔振，试验结果表明：所设计的台架试验装置能够较好的反映出实际隔振系统的隔振特性，验证了基于无量纲分析的短型浮置板轨道隔振系统参数优化的可行性。

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.2 研究现状

1.3 存在问题及本文主要工作

第二章 单自由度短型浮置板轨道隔振系统参数优化与仿真

2.1 单自由度隔振系统模型及优化目标

2.2 基于无量纲分析的单自由度隔振系统参数优化

2.3 单自由度隔振系统的参数优化仿真

2.4 本章小结

第三章 多自由度短型浮置板轨道隔振系统的力学建模

3.1 多自由度隔振系统的动力学模型

3.2 多向激振力振源模型

3.3 多自由度隔振系统无量纲化

3.4 多自由度隔振系统的评价指标

3.5 本章小结

第四章 多自由度短型浮置板轨道隔振系统参数优化与仿真

4.1 多自由度隔振系统的优化建模

4.2 各隔振器阻尼参数的优化

4.3 多自由度隔振系统的模型参数

4.4 多自由度隔振优化前后的效果比较

4.5 多自由度隔振系统优化前后的隔振性能对比

4.6 本章小结

第五章 短型浮置板轨道隔振系统的台架试验

5.1 短型浮置板轨道隔振系统相似理论研究

5.2 短型浮置板轨道隔振系统小尺度试验台架

5.3 试验台架与实际原型隔振性能对比

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 论文创新点

6.3 工作展望

致谢

参考文献

附录