高速动车组构架的传感器优化布置方法研究

摘要

随着我国高速铁路的不断发展，对铁道车辆安全性的要求也越来越高。构架作为转向架的主要承载结构，对车辆安全运营起着至关重要的作用。结构健康监测是确保高铁运营安全性和发展高铁技术的关键，而合理布置传感器采集信息，是结构健康监测技术得以有效应用的前提。本文基于国际铁路联盟标准对构架进行了静强度分析验证模型可靠性，并得到构架各个工况下的最大应力值位置确定构架危险部位。在基于振动模态分析的传感器优化布置方法研究中，提取模态阶数的数量对布置结果有很大的影响，本文提出了基于熵值法的目标模态最优数目确定新方法，确定模态阶数。通过Fisher信息矩阵、频率响应函数、独立分量法、K-均值聚类法和信息熵实现了对构架传感器位置和数量的双重优化。研究内容及主要结论如下:
　　(1)为建立构架有限元模型、验证构架模型可靠性并确定构架的危险部位，首先，以CRH3型动车组构架图纸为依据，使用SolidWorks软件建立构架实体模型并做简化处理，使用ANSYS Workbench软件建立构架有限元模型，然后基于国际铁路联盟标准UIC615-4的15种工况分别对构架进行静强度分析。结果表明，构架满足强度要求并得到各工况下构架的危险部位。
　　(2)为确定结构模态分析提取的模态阶数，得到更合理的传感器布置结果，本文提出了基于熵值法的目标模态最优数目确定新方法确定结构所需提取的模态阶数。首先，计算提取结构各阶模态振型所得到的Fisher信息矩阵的信息熵，然后计算信息熵的突变特征函数确定突变点，从而得到结构发生全局振动和局部振动突变所对应的模态阶数。格栅型行李架和CRH3型动车组构架仿真结果表明，该方法可以准确确定结构发生全局振动或局部振动的模态阶数并确定提取构架前7阶全局振动模态振型。
　　(3)为了实现传感器布置的位置和数量双重优化，提出了一种基于频率响应函数的传感器优化布置方法。首先，对结构进行模态分析并提取模态振型，计算结构的频率响应函数;然后，基于独立分量分析和K-均值聚类法优化传感器布置位置;最后，计算不同传感器数量对应布置结果的Fisher信息矩阵及其熵，信息熵的极小值对应的传感器数量即为传感器布置最优的数量。CRH3型动车组转向架构架传感器优化布置结果表明，传感器的布置位置均在国际铁路联盟标准UIC615-4规定的所有工况下构架产生最大应力位置的附近，并且布置结果可以使数量有限的传感器获得的信息量最大化。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 传感器优化布置研究现状

1．3 主要研究内容

2 构架静强度分析

2．1 引言

2．2 构架基本参数

2．3 构架的有限元模型

2．4 IJlC静强度加载标准

2．4．1 静强度载荷工况下的计算载荷

2．4．2 构架静强度计算载荷工况

2．4．3 静强度评定标准

2．5 构架静强度计算

2．5．1 载荷工况的计算

2．5．2 静强度分析结果

2．6 本章小结

3 传感器优化布置中模态数目的确定

3．1 引言

3．2．1 模态分析基本理论

3．2．2 Fisher信息矩阵基本原理

3．2．3 Fisher信息矩阵2-范数的变化率

3．2．4 模态数目选取方法的适用条件

3．2．5 数值验证

3．3 基于熵值法的目标模态数目确定新方法基本原理

3．3．1 熵值法基本原理

3．3．2 突变特征函数基本原理

3．4 基于熵值法的目标模态数目确定新方法数值验证

3．4．1 工程算例1

3．4．2 工程算例2

3．5 本章小结

4 基于频率响应函数的传感器优化布置方法

4．1 引言

4．2 基于频率响应函数的传感器优化布置方法基本原理

4．2．1 频率响应函数

4．2．2 独立分量分析

4．2．3 K-均值聚类法

4．3 传感器布置数量优化

4．4 数值算例

4．4．1 算例1

4．4．2 布置结果对比

4．4．3 算例2

4．5 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果