内燃动力单元-车辆耦合振动机理及隔振优化研究

摘要

内燃动车具备不亚于电力动车的动力性和舒适性，能实现任意编组和灵活运营，初期成本投入较低，是最经济、最灵活的，解决支线客车提速的方案。在中国这样一个幅员辽阔铁路支线繁多的国家，内燃动车必将成为提高列车速度，占领支线客运市场的最佳工具，有着广阔的发展空间和应用前景。作为内燃动车的动力源，同时也是最为主要的激励源，内燃动力单元通常以双层隔振的方式悬挂于车体底部，其重达3t以上，在整个车体中所占比重较大，这将极大地降低车体刚度，增大动力单元与车体间的弹性耦合，导致车体强烈的耦合振动和结构辐射噪声，严重影响到客车的乘坐舒适性。因此，本论文以某出口阿根廷的内燃动车为研究对象，突破传统的基于普通双层隔振的建模和设计方法，致力于建立含无源子系统，考虑构架和车体柔性的双层隔振动力单元-车辆柔性隔振系统定量化的振动传递模型和相应的简化理论模型，阐明系统中存在的多种耦合力学行为和机理，并有针对性地提出该柔性隔振系统的多目标优化设计方法和相应的多目标优化算法，以指导采用双层隔振的动力设备-车辆柔性隔振系统的隔振优化设计，最大限度地隔离动力设备传递给车辆的振动，降低车体的振动和辐射噪声。其主要研究内容及结论如下:
　　1)为了揭示子系统与双层隔振主系统的耦合振动机理，建立了含子系统的双层隔振系统的3自由度简化力学模型和18自由度多刚体动力学模型，推导了系统固有频率、能量解耦度和振幅的无量纲表达式，提出了能应用于多点多向耦合双层隔振系统的力综合传递率指标，在此基础上分析子系统参数对双层隔振系统固有特性和隔振特性的影响规律。研究表明，子系统对双层隔振系统固有特性和隔振性能均有较大影响，取适当大的子系统质量，合适的子系统刚度和阻尼，能同时兼顾双层隔振系统的高频隔振性能和低频隔振性能。
　　2)针对目前尚未有对含散热器子系统的内燃动力单元双层隔振系统行之有效的优化设计方法，将子系统视为双层隔振系统吸振器的思想引入动力单元的隔振设计中，建立了能反映多自由度吸振器作用于多维耦合双层隔振系统力学特性的6自由度力学模型，阐明了吸振器的吸振机理。继而，提出了一种两级优化策略对动力单元双层隔振系统进行优化设计。最后，对优化后的样机进行振动测试和隔振性能评价。该优化方法，首先在不考虑子系统的情况下，通过对双层隔振主系统的隔振优化确定一、二级主系统隔振器刚度，再将子系统视为吸振器进行刚度设计，按照H∞最优原则获得子系统隔振器的最优刚度。研究表明，吸振器可通过其与双层隔振系统激振力作用方向的模态产生耦合，达到减小主系统的振动能量输入和将输入的振动能量转移到吸振器的效果，其质量比和惯量比的优选囊括了小质量比和小转动惯量比的情况;经过优化设计后，在柴油机常规工况和停机工况，动力单元动反力较小，机组和散热器振动烈度水平较优，动力单元双层隔振系统隔振性能良好，该优化方法有效可行。
　　3)针对双层隔振动力单元-车体柔性隔振系统中存在的刚柔耦合问题，提出了一种能综合反映柔性结构刚体运动和弹性振动的振动能量指标;提出了一种能反映车体弯扭耦合特性的薄壁框梁模拟车体建立了弹性车体与车下悬挂设备的刚柔耦合模型;推导了系统频响函数的解析方法，揭示了系统振动性能随悬挂设备质量、安装位置和隔振器参数的变化规律，阐明了悬挂设备与车体的刚柔耦合特性和机理;建立了能反映动力单元双层隔振系统刚柔耦合特性的简化力学模型，推导了系统固有频率、振型和频响函数的解析式，揭示了一、二级隔振器参数对系统隔振特性的影响规律，阐明了动力单元各子结构和柔性构架的刚柔耦合特性和机理。研究表明，构架和车体的柔性极大地降低了系统的高频隔振性能，且对系统刚体运动模态的位移振幅存在一定的增益。
　　4)针对双层隔振动力单元-车辆柔性隔振系统建模复杂计算量大的特点，提出了一种能极大节约计算量的频响函数综合建模方法，分析了系统各层间功率流与隔振器参数之间的关系，在此基础上揭示了动力单元-车辆柔性隔振系统中振动能量的传递特性。研究表明，该建模方法逻辑清晰计算量非常小，可用于对该复杂柔性隔振系统的多循环优化计算。
　　5)针对双层隔振动力单元-车辆柔性系统隔振优化设计，优化目标和优化变量众多的特点，提出了一种基于优化目标和优化变量缩减的适用于极多目标极多变量优化的两级优化方法，并发展了一种基于参考点法比较算子和局域搜索算子的非劣解多目标遗传算法，对系统进行了隔振优化设计。研究表明，所提出的优化方法和优化算法同时具备较好的收敛性和多样性，且优化效率较高。经过优化后系统的各项振动性能指标均有很大的提升，整车系统在发动机常规工况和起停工况均具备优秀的振动水平。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义第l章绪论

1．2 研究现状

1．2．1 双层隔振系统研究现状

1．2．2 柔性隔振系统研究现状

1．2．3 吸振器吸振机理及最优设计研究现状

1．2．4 高速列车车体弹性振动研究现状

1．3 本文的主要内容

第2章 子系统与双层隔振主系统耦合振动特性研究

2．1 子系统参数对双层隔振主系统固有特性的影响

2．1．1 三自由度自由振动动力学模型

2．1．2 子系统质量比对固有特性的影响

2．1．3 子系统固有频率比对固有特性的影响

2．2 散热器对动力单元双层隔振主系统固有特性的影响

2．2．1 动力单元双层隔振系统18自由度三维动力学模型

2．2．2 散热器质量对固有特性的影响

2．2．3 散热器刚度对固有特性的影响

2．3 子系统对双层隔振系统隔振特性的影响

2．3．1 三自由度强迫振动动力学模型

2．3．2 子系统固有频率比对隔振特性的影响

2．3．3 子系统阻尼比对隔振特性的影响

2．3．4 子系统质量比对隔振特性的影响

2．4 散热器对动力单元双层隔振系统隔振特性的影响

2．4．1 动力单元双层隔振系统强迫振动动力学模型

2．4．2 散热器刚度对隔振特性的影响

2．4．3 散热器阻尼对隔振特性的影响

2．4．4 散热器质量对隔振特性的影响

2．5 本章小结

第3章 含子系统的动力单元双层隔振系统隔振设计

3．1 多维耦合双层隔振系统吸振器吸振特性分析

3．1．1 多自由度吸振器多维耦合双层隔振系统简化模型

3．1．2 吸振器固有频率比和耗散系数对吸振特性的影响

3．1．3 吸振器安装参数对吸振特性的影响

3．1．4 吸振器质量参数对吸振特性的影响

3．2 动力单元双层隔振系统隔振优化设计

3．2．1 动力单元双层隔振系统两级优化策略

3．2．2 主系统刚度参数优化(一级优化)

3．2．3 子系统刚度设计(二级优化)

3．3 隔振性能评估及试验分析

3．3．1 传递特性分析

3．3．2 动反力分析

3．3．3 振动烈度分析

3．4 本章小结

第4章 动力单元-车体柔性隔振系统刚柔耦合分析

4．1 动力单元双层隔振系统简化力学模型

4．1．1 系统固有频率、振型函数以及频晌函数解析式

4．1．2 有限元方法求解

4．1．3 算法对比及验证

4．2 双层隔振系统刚柔耦合特性分析

4．2．1 一级隔振器参数对刚柔耦合特性的影响

4．2．2 二级隔振器参数对刚柔耦合特性的影响

4．2．3 梁的弹性对刚柔耦合特性的影响

4．3 车体及车下悬挂设备耦合振动简化力学模型

4．4 车体及车下设备耦合振动特性分析

4．4．1 悬挂设备隔振器参数对刚柔耦合特性的影响

4．4．2 悬挂设备质量参数对刚柔耦合特性的影响

4．4．3 悬挂设备安装位置对刚柔耦合特性的影响

4．5 本章小结

第5章 双层隔振动力单元-车辆柔性隔振系统建模

5．1 弹性子结构频响函数综合建模方法理论推导

5．2 动力单元-车辆柔性隔振系统频响函数综合法建模

5．2．1 动力单元频响函数模型

5．2．2 整备车体频响函数模型

5．2．3 转向架频响函数模型

5．2．4 整车系统频响函数模型

5．3 动力单元-车辆柔性隔振系统功率流特性分析

5．3．1 一级隔振器参数对系统功率流的影响

5．3．2 二级隔振器参数对系统功率流的影响

5．3．3 散热器隔振器参数对系统功率流的影响

5．4 本章小结

第6章 动力单元-车辆柔性隔振系统隔振优化设计

6．1 动力单元-车辆柔性隔振系统隔振多目标优化分析

6．2 动力单元-车辆柔性隔振系统动态性能指标分析

6．2．1 一级隔振参数对系统动态特性的影响

6．2．2 二级隔振参数对系统动态特性的影响

6．2．3 散热器隔振参数对系统动态特性的影响

6．3 动力单元-车辆柔性隔振系统隔振多目标优化模型

6．3．1 优化目标整合

6．3．2 优化变量整合

6．3．3 优化策略及优化模型

6．4 多目标优化混合非劣解遗传算法

6．4．1 参考点方法

6．4．2 比较算子

6．4．3 局域搜索算子

6．4．4 混合遗传算法

6．5 动力单元-车辆柔性隔振系统隔振多目标优化

6．5．1 一级优化结果分析

6．5．2 二级优化结果分析

6．6 动力单元-车辆柔性隔振系统振动性能评价及分析

6．7 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果