高速客车轴箱悬挂参数稳健优化设计

摘要

随着铁路客车运行速度的不断提升，其运行安全性、舒适性已成为高速铁路客车动力学性能研究的重点。本文引入田口方法和6σ质量管理方法，开展高速铁路客车轴箱悬挂参数的稳健优化研究，即在外界不确定因素的影响下对车辆轴箱悬挂参数进行优化，降低车辆动力学性能对不确定因素随机波动的敏感性，对提升车辆运行安全性与舒适性具有直接指导作用。
　　对高速铁路客车轴箱系统的结构、特点、组成进行了剖析。对高速铁路客车各组成部分及运动自由度进行了深入分析，构建了车辆多体系统的拓扑结构。基于SIMPACK软件建立了高速车辆多体动力学仿真模型。以轴箱悬挂参数为设计变量，对车辆动力学性能进行仿真，获得了轴箱悬挂参数对车辆平稳性、稳定性性能的影响规律。
　　采用田口方法和多学科优化软件Isight，设计了Isight集成SIMPACK的轴箱悬挂参数田口稳健优化设计流程。以载客量、车速和轨道半径的波动为噪声因子，选取对车辆平稳性和稳定性影响较显著的轴箱悬挂参数作为可控因子，设计内外正交表对轴箱悬挂参数进行田口稳健性优化。通过信噪比(S/N)分析获得了面向车辆平稳性和稳定性的轴箱悬挂参数稳健优化组合，使得车辆的平稳性和稳定性均得到一定程度的提高，在外界因素影响下动力学性能更稳健可靠。
　　在不考虑外界噪声因子影响下，以车辆运行平稳性和稳定性指标为目标，构建了以轴箱悬挂参数为设计变量的多目标优化模型。然后，考虑载客量、车速和曲线轨道半径的变化，引入6σ质量管理方法，构建了轴箱悬挂参数6σ多目标稳健优化模型。在Isight-SIMPACK集成环境下，实现了面向平稳性和稳定性双重目标的轴箱悬挂参数确定性优化和6σ稳健性优化。对比确定性优化和6σ稳健性优化后的运行平稳性和稳定性，结果表明轴箱悬挂参数6σ稳健优化在提高车辆动力学性能的基础上，使车辆动力学性能的稳健性也得到明显改善。
　　采用蒙特卡罗模拟技术，对比分析了田口方法和6σ方法获得的轴箱悬挂结果对车辆运行平稳性和稳定性的稳健性影响。对比分析发现，利用6σ方法比田口方法获得的平稳性指标和稳定性指标的平均值和均方差更小。因而，6σ方法对高速客车轴箱悬挂参数稳健优化，车辆动力学性能更稳健可靠，抗干扰能力也更强。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 铁道车辆轴箱悬挂系统概述

1．2．1 轴箱定位装置的结构

1．2．2 轴箱定位形式与特点

1．2．3 轴箱悬挂系统的组成

1．3 铁道车辆动力学性能与评价

1．3．1 车辆运行平稳性评价方法与指标

1．3．2 车辆运行稳定性评价方法与指标

1．4 国内外研究现状

1．4．1 车辆悬挂系统优化设计研究现状

1．4．2 车辆悬挂系统稳健优化设计研究现状

1．5 论文主要内容

2 稳健设计的基本原理和方法

2．1 稳健设计原理

2．1．1 稳健设计的意义

2．1．2 稳健设计基本原理

2．1．3 稳健性设计基本思想

2．2 田口稳健优化设计

2．2．1 田口稳健性设计基本原理

2．2．2 田口稳健性优化设计工具

2．2．3 田口稳健性优化设计流程

2．3 6σ稳健优化设计

2．3．1 6σ稳健优化设计概念

2．3．2 6σ稳健优化设计原理

2．3．3 蒙特卡洛模拟技术

2．4 田口方法和6σ方法对比

2．5 多学科优化软件Isight

2．5．1 Isight工作原理

2．5．2 Isight稳健设计功能

2．6 本章小结

3 高速客车多体动力学建模与仿真

3．1 多体系统动力学建模基本理论

3．1．1 SIMPACK多体系统动力学基本理论

3．1．2 车辆多体动力学建模基本理论

3．2 基于SIMPACK的轨道模型

3．2．1 轨道不平顺类型

3．2．2 轨道不平顺功率谱

3．2．3 基于SIMPACK的轨道模型

3．3 基于SIMPACK车辆多体动力学仿真模型

3．3．1 车辆系统动力学建模简化原则

3．3．2 车辆系统自由度及物理模型

3．3．3 基于SIMPACK车辆多体动力学仿真模型

3．4 高速客车轴箱悬挂参数对车辆动力学性能的影响

3．4．1 基于SIMPACK的车辆动力学性能仿真计算

3．4．2 轴箱悬挂参数对车辆运行平稳性的影响

3．4．3 轴箱悬挂参数对车辆运行稳定性的影响

3．5 本章小结

4 高速客车轴箱悬挂参数的田口稳健优化设计

4．1 轴箱悬挂参数田口稳健优化设计

4．1．1 轴箱悬挂参数田口稳健优化流程

4．1．2 Isight集成SIMPACK的田口稳健优化流程

4．2 面向运行平稳性的轴箱悬挂参数田口稳健优化

4．2．1 可控因子和内表选择

4．2．2 噪声因子和外表选择

4．2．3 正交试验表及动力学性能仿真

4．2．4 信噪比分析及田口稳健优化结果

4．3 面向运行稳定性的轴箱悬挂参数田口稳健优化

4．3．1 可控因子和内表选择

4．3．2 噪声因子和外表选择

4．3．3 正交试验表及动力学仿真

4．3．4 信噪比分析及田口稳健化结果

4．4 田口稳健优化结果验证

4．4．1 不同车速下的轴箱悬挂参数稳健优化前后对比

4．4．2 不同曲线半径下的轴箱悬挂参数稳健优化前后对比

4．5 本章小结

5 高速客车轴箱悬挂参数的6σ多目标稳健优化设计

5．1 轴箱悬挂参数多目标稳健优化问题定义

5．1．1 轴箱悬挂参数多目标优化的意义

5．1．2 设计参数的分析和选取

5．1．3 优化目标确定及约束条件

5．2 面向平稳性和稳定性的轴箱悬挂参数确定性优化和稳健性优化

5．2．1 轴箱悬挂参数确定性多目标优化设计

5．2．2 轴箱悬挂参数6σ多目标稳健优化设计

5．2．3 确定性优化和6σ稳健性优化计算

5．2．4 确定性优化和6σ稳健性优化结果对比

5．3 6σ稳健优化结果验证

5．3．1 不同车速下的轴箱悬挂参数稳健优化前后对比

5．3．2 不同曲线半径下的轴箱悬挂参数稳健优化前后对比

5．4 轴箱悬挂参数田口方法和6σ方法的稳健优化结果对比

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 后续工作与展望

参考文献

攻读学位期间主要研究成果

致谢