动力总成刚柔耦合双层隔振系统动力学分析

摘要

内燃动车凭借其成本低、灵活方便、安全可靠、运用不受地域限制的优点，广泛应用于客流量较小、不适合发展电气化的支线运输以及欠发达地区。它通常采用动力总成（动力包）作为动力源，系统振动具有多振源、宽频带、强耦合的特点。为减小系统振动、提高乘坐舒适性，动力总成通常采用双层隔振系统，并以多刚体模型优化设计为主，忽略了部件柔性对系统隔振性能的影响。为定量分析中间构架柔性对动力总成双层隔振系统隔振特性的影响规律，探究隔振器参数（刚度、阻尼）变化对系统隔振特性的影响，解决动力总成启停工况振动过大以及结构振动引起的车体地板振动问题，完善传统多刚体模型优化设计方法，指导双层隔振系统的优化设计，建立了考虑中间构架柔性的多体系统动力学模型并进行了系统动力学分析。
　　首先，建立了含子系统的动力总成双层隔振系统动力学模型，总结了系统常用的隔振性能评价指标及各自优缺点，介绍了系统的传统多刚体模型优化设计方法;然后，通过Hypermesh与ANSYS联合仿真，建立了中间构架的有限元模型，通过计算模态与试验模态对比，验证了有限元模型的正确性;在此基础上，在ADAMS中建立了考虑中间构架柔性的刚柔耦合系统动力学模型以及将中间构架视为刚体的多刚体系统动力学模型，通过动力总成模态测试对模型进行了校验;通过对系统进行自由振动和强迫振动计算，对比分析了中间构架柔性对系统固有特性（模态频率、振动耦合能量）及响应特性（部件振动烈度、二级隔振器处动反力以及振级落差）的影响;通过改变隔振器刚度和阻尼，全面分析了隔振器参数变化对系统隔振特性的影响;结合动力总成试验过程中启停工况振动过大、结构振动引起的车体地板振动以及传统多刚体模型（参数化模型）优化设计方法的不足，对动力总成刚柔耦合系统减振策略进行了探讨。
　　研究结果表明:中间构架柔性会使系统固有频率及主模态方向解耦度减小，并使系统幅值响应出现“移频”、“增频”现象，其中低频段以“移频”为主，高频段以“增频”为主，中频段二者同时出现;中间构架柔性对机组振动烈度几乎无影响，但会使绝大多数工况下自身及附属装置的振动烈度增大，二级隔振器处动反力增加，一级隔振器垂向振级落差减小;隔振器刚度和阻尼变化会对二级隔振器处的位移响应频谱及机组振动烈度测点处的速度响应频谱产生影响，进而影响系统隔振性能;启停工况采用大刚度，而在正常工况采用小刚度以及启停工况和较低频段采用大阻尼，而在较高频段采用小阻尼的隔振方案，可以有效抑制机组启停工况的振动响应，并可对高频段结构振动产生很好的抑制作用;减小一级隔振器垂向刚度和二级隔振器任意方向刚度，可以显著减小二级隔振器该方向的动反力，控制结构振动;除此之外，适当减小一级隔振器阻尼，可以减小较高频段二级隔振器处位移响应，控制系统结构振动。
　　相关结论对动力总成双层隔振系统优化设计以及系统模态匹配、动力机组启停工况振动控制、系统结构振动控制具有指导意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 典型隔振系统研究现状

1．2．2 多体系统动力学研究现状

1．3 本文的主要研究内容

第2章 动力总成双层隔振系统设计及性能评价

2．1 动力总成双层隔振系统动力学模型

2．2 动力总成双层隔振系统性能评价指标

2．2．1 系统的振动耦合能量

2．2．2 振动烈度

2．2．3 二级隔振处动反力

2．2．4 力传递率

2．2．5 插入损失

2．2．6 传递损失

2．3 动力总成传统多刚体模型优化设计方法

2．3．1 优化目标

2．3．2 优化方法

2．3．3 设计流程

2．4 本章小结

第3章 动力总成多体系统动力学建模

3．1 动力总成双层隔振系统描述

3．2 中间构架有限元建模及模态分析

3．2．1 中间构架有限元建模

3．2．2 中间构架模态分析

3．3 中间构架有限元模型验证

3．4 动力总成刚柔耦合系统动力学建模

3．4．1 导出中间构架模态中性文件

3．4．2 动力总成刚柔耦合系统动力学建模

3．5 动力总成刚柔耦合系统动力学模型验证

3．5．1 多体系统动力学模态计算

3．5．2 多体系统动力学模型验证

3．6 本章小结

第4章 动力总成刚柔耦合系统动力学分析

4．1 中间构架柔性对系统固有特性的影响

4．1．1 自由振动分析

4．1．2 扫频分析

4．2 中间构架柔性对系统响应特性的影响

4．2．1 中间构架柔性对机组振动烈度的影响

4．2．2 中间构架柔性对自身振动烈度的影响

4．2．3 中间构架柔性对空冷装置振动烈度的影响

4．2．4 中间构架柔性对二级隔振器处动反力的影响

4．2．5 中间构架柔性对振级落差的影响

4．3 隔振器刚度变化对系统隔振特性的影响

4．3．1 一级隔振器刚度变化

4．3．2 二级隔振器刚度变化

4．3．3 一、级隔振器刚度同时变化

4．3．4 一级隔振器三向刚度变化

4．3．5 二级隔振器三向刚度变化

4．4 隔振器阻尼变化对系统隔振特性的影响

4．4．1 一级隔振器阻尼变化

4．4．2 二级隔振器阻尼变化

4．4．3 一、二级隔振器阻尼同时变化

4．5 本章小结

第5章 动力总成刚柔耦合系统减振策略研究

5．1 机组启停工况减振策略研究

5．1．1 问题描述

5．1．2 控制策略

5．2 结构振动控制策略研究

5．2．1 问题描述

5．2．2 控制策略

5．3 中间构架模态匹配策略研究

5．3．1 问题描述

5．3．2 控制策略

5．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表学术论文