铁道车辆柔刚体系统动力学及结构振动控制研究

摘要

高度机电一体化的高速电动车组、铰接式列车、摆式列车和磁浮列车的相继投入使用，大大提升了轨道交通运输行业竞争力，体现了轨道交通“快捷、安全、舒适、经济”的技术特征和优势。但是在这一智能化、高速化和轻型化的发展过程中，出现了许多新的工程问题，如由于车辆结构柔性的增加和运行速度的提高引起了零部件结构振动的加剧，引起结构动应力增大，导致零部件非正常裂纹出现和结构疲劳寿命可靠性的下降，引起车辆运行稳定性和舒适性和安全性的恶化。这些现象说明过去采用的多刚体系统动力学模型已不能全面的评价车辆系统的动力学性能，因此如何提出合理的模型和分析方法来解决这些问题，满足车辆工程设计和运用两方面的需求，是铁道车辆动力学和控制的理论研究必须解决的重要问题之一，本文将开展基于柔刚体系统的车辆动力学和主动控制方面的研究，重点研究柔刚体结构振动对车辆系统动力学性能、结构疲劳的影响，研究结构振动的控制和车辆运行平稳性控制问题。设计者有望运用这一模型和分析方法，借助于虚拟产品设计(VPD)技术，在设计阶段来评估和预测车辆系统的动力学性能、零部件疲劳寿命和可靠性。本文首先针对轮对、构架和车体等部件的约束和受力特点，运用部件模态综合方法，提取合理的李兹模态基，将这些部件的弹性模态自由度与车辆系统的刚体自由度按照柔性多体动力学理论，通过约束处理，建立耦合的车辆柔刚体系统动力学模型，进行结构变形和动应力分析。推导了基于欧拉梁车体简化模型的车辆垂直柔刚体系统运动方程，用来研究车辆运行平稳性和车体结构振动的主动控制。本文通过对车辆柔刚体系统非线性动力学仿真，获得结构弹性模态坐标下的时间历程，并实现在多体动力学仿真中直接获得相应的结构模态动应力时间历程，以此为基础，提出了铁道车辆关键零部件动应力、疲劳寿命预测和可靠性计算的方法和途径。首先取得各工况单独仿真的结果，再按照载荷条件和运用频次，形成动应力载荷谱，进行疲劳评估。作为应用实例，对提速专用货车转向架交叉杆组成的动应力进行了仿真分析，并对典型工况的仿真分析和试验结果进行了比较。最后按照线性疲劳损伤理论估算了交叉杆组成的疲劳寿命。本文针对铰接式车辆的特点，建立了具有柔性耦合轮对走行系统铰接式两车动力学模型，分析了柔性耦合轮对走行系统的径向原理，提出了耦合轮对连接参数的设计原则，研究表明：柔性耦合轮对走行系统可以实现几乎理想的径向曲线通过，既使在轮轨摩耗到限、抗蛇行减振器失效等最不利条件下，仍可以满足运行速度160km/h的需要。它可以很好地解决传统转向架轴箱悬挂参数在稳定性和曲线性能之间选择上的矛盾，本文还首次运用柔性体模型，建立了双柔性梁轮对直接耦合转向架模型，研究显示了这种转向架在提供良好稳定性方面的潜力。本文重点研究了基于柔刚体模型车体结构振动控制和车辆运行平稳性半主动控制问题，提出了基于最优控制理论(LQR)下的独立模态空间控制(IMSC)策略，在Matlab/Simulink(R)环境下建立了车辆半主动控制混合仿真模型，研究结果显示：采用RVSMR磁流变阻尼器的车辆平稳性半主动控制方式，通过IMSC的最优控制策略和不同模态间的加权优化，可以改善车辆运行平稳性并抑制车体弯曲振动模态。关键词：铁道车辆，柔刚体系统动力学，模态综合，疲劳寿命，转向架稳定性，结构振动控制

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第1章绪论

1.1 题目的提出和工程意义

1.2铁道车辆动力学发展及面临的主要研究问题

1.3柔性多体系统动力学发展

1.4柔性多体系统动力学在铁道车辆的应用研究

1.5本文研究的主要内容和拟解决的关键问题

第2章铁道车辆柔刚体系统动力学模型

2.1柔性多体系统动力学及模态综合法

2.1.1柔性体动力学方程

2.1.2动态子结构固定界面模态综合法

2.1.3弹性体内应力计算

2.1.4不同模态综合方法比较及应用条件

2.1.5模态综合方法在浮动弹性杆上的应用

2.1.6柔性多体系统动力响应的数值分析方法

2.2铁道车辆柔刚体系统动力学模型

2.2.1柔性车体模型及应用

2.2.2构架柔性体模型及应用

2.2.3轮对柔性体模型及应用

2.3本章小结

第3章柔性耦合轮对走行系统铰接车辆动力学研究

3.1系统运动方程

3.1.1数学模型

3.1.2系统运动方程

3.2稳态曲线分析及径向原理

3.2.1 稳态线性通过平衡方程

3.2.2稳态曲线性能及参数研究

3.3稳定性分析及参数研究

3.3.1耦合刚度对稳定性影响

3.3.2非线性稳定性研究

3.4动态曲线通过性能分析

3.4.1计算工况1

3.4.2计算工况2

3.4.3耦合回转刚度对动态曲线性能的影响

3.5不同走行机构下铰接式车组的动力学性能比较研究

3.5.1 比较模型的建立

3.5.2稳定性比较分析

3.5.3动态曲线通过性能比较分析

3.6本章小结

第4章 轮对直接耦合高速转向架稳定性分析和结构实现

4.1构架式轮对直接耦合转向架模型

4.1.1定位连接框架

4.1.2横向运动方程

4.2简化刚体模型的稳定性分析

4.2.1弯曲刚度和剪切刚度对稳定性的影响

4.2.2连接框架质量对稳定性的影响

4.2.3与传统构架式转向架比较

4.2.4与径向转向架比较

4.3轮对直接耦合构架式转向架柔性梁模型的稳定性分析

4.4具有轮对直接耦合构架式转向架车辆动力学分析和比较研究

4.4.1稳定性分析及比较

4.4.2直线运行性能比较

4.4.3曲线运行性能比较

4.5定位连接框架的结构实现

4.5本章小结

第5章 柔性部件动应力仿真和疲劳寿命计算

5.1模态应力计算

5.2疲劳寿命计算模型

5.2.1非线性柔刚体动力仿真下的应力统计

5.2.2等效应力下疲劳寿命计算

5.2.3随机应力循环作用下疲劳寿命可靠度计算

5.3 轴重25吨的交叉支撑转向架的交叉杆组成动应力计算

5.3.1交叉支撑装置的有限元模型

5.3.2整车柔刚体模型及模态选择

5.3.3直线线路交叉杆上危险点的动应力计算

5.3.4通过曲线交叉杆上危险点的动应力计算

5.3.5通过道岔交叉杆上危险点的动应力计算

5.4交叉杆组成动应力试验结果及与仿真分析比较

5.4.1试验结果分析

5.4.2直线工况下动应力及疲劳损伤比较

5.4.3曲线工况动应力比较

5.5运煤专用敞车交叉杆疲劳寿命评估

5.6本章小结

第6章 柔性车体结构振动和运行平稳性控制

6.1结构振动主动控制理论及在轨道车辆上的应用

6.1.2结构振动控制主要控制策略

6.1.3半主动控制装置及MR磁流变阻尼器

6.1.4轨道车辆结构振动控制研究现状及本文研究特点

6.2独立模态空间控制(IMSC)及相关控制策略

6.2.1 系统模型和独立模态空间控制

6.2.2基于IMSC的最优反馈控制

6.3柔性车体运行平稳性研究

6.4具有车体垂直弯曲弹性模态的车辆垂直振动控制模型

6.4.1包含车体垂直弯曲振动模态的控制模型

6.4.2磁流变阻尼器(MR damper)力学模型

6.4.3铁道车辆二系悬挂磁流变阻尼器(RVSMR)设计

6.5基于最优理论的车体结构弹性模态控制

6.5.1车体弹性振动仅以第一阶模态代表时

6.5.2车体弹性振动由前N阶模态代表时

6.6基于最优理论的柔性车辆平稳性控制

6.7包含车体结构振动的车辆垂直平稳性半主动控制研究

6.7.1半主动控制策略

6.7.2基于Matlab／Simulink环境下车辆半主动控制混合仿真

6.7.3车辆半主动控制性能研究

6.8本章小结

第7章结论和展望

7.1主要研究结论

7.2本文主要创新之处

7.3展望

致谢

参考文献

附录

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果