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原文传递高速动车组车体振动控制与应变模态分析

论文题名：	高速动车组车体振动控制与应变模态分析
关键词：	高速列车;振动控制;弹性效应;应力状态;运行平稳性
摘要：	高速列车运行过程中的振动直接影响着列车运行安全性和乘客乘坐的舒适性，由于列车轻量化设计及高速化运行，使得列车各部件弹性振动，尤其是车体的弹性振动引起的安全性与舒适性问题越来越突出。列车振动引起结构联接松动、噪声增大，部件产生裂纹萌生、扩展，使结构的疲劳寿命急剧降低，严重影响列车运行安全。轨道激扰是列车产生振动的激振源，因为轨道不平顺的随机性与复杂性，使车辆振动也具有随机性与复杂性。因此，对于弹性效应下车辆的振动特性、振动评价、减振方法的研究显得尤为重要。　　针对高速列车中的以上问题，本文通过建立二维欧拉—伯努利梁模型和三维刚柔耦合动力学模型，系统研究了车辆在轨道激扰条件下的的动力学行为。首先，在考虑车体弹性的基础上，建立了车辆动力学模型，采用频域分析方法，分析车辆运行过程中的振动特性与规律。其次，分别分析了列车悬挂参数优化的被动控制方法，车体安装压电智能元件、二系悬挂安装主动作动器的主动控制方法，减小车体振动及提高运行平稳性。具体的，本文的研究工作主要有以下几个方面: 　　1)建立二维欧拉—伯努利梁模型和三维刚柔耦合动力学模型，在频域内研究弹性效应下的振动特性及其传递关系。分析结果表明，在特定轨道不平顺波长激励下，车体对称模态响应为零而反对称模态响应最大，反对称模态响应为零而对称模态响应最大，当车体模态频率与激励频率一致时，车体会产生共振。一阶垂弯模态频率处车体相关频响函数加速度传递率最大，对车体振动贡献最大，其共振速度与共振波长对列车运营有重要影响，速度越高，一阶垂弯频率要求越高。　　(2)通过线路振动加速度试验数据分析了高速列车振动传递关系，并与车体振动仿真结果作了对比分析，论证了仿真结果的正确性。分析了一系悬挂参数、二系悬挂参数、运行速度对车体运行平稳性的影响。为提高运行平稳性，设计了以4个悬挂参数为设计变量，以各点舒适度指标的最大值为目标函数的最小—最大优化问题，采用K-S函数对其进行拟合，并对某高速列车作了优化分析。为了减小振动、提高运行平稳性，分别从结构固有频率设计、结构模态、局部模态设计及传递函数设计等方面研究了减小车体振动、提高运行平稳性的有效性及具体措施。　　(3)研究了基于二系布置垂向作动器及车体布置压电作动器的高速动车组车体振动主动控制方法，建立了考虑二系垂向作动器及压电作动器的车辆刚柔耦合数学模型，分析了压电作动器及压电传感器最优位置布置，运用鲁棒最优控制方法设计了反馈控制器。采用数值仿真方法分析了装有主动控制系统车辆的动力学性能。仿真结果表明:基于二系垂向作动器及车体压电作动器的鲁棒最优控制方法能够有效的减少车体的振动，改善车辆的运行平稳性。采用二系作动器可降低车体刚性振动，采用压电作动器可降低车体弹性振动。速度越高，振动加速度抑制效果越明显。相对于被动悬挂，基于鲁棒控制器的车辆主动减振系统能有效的减小车体刚性及弹性振动，改善车辆运行平稳性。　　(4)在车体结构强度设计和损伤诊断时，应力状态的获得是关键，而应力状态一般可通过应变获得。利用位移模态理论推导出应变模态理论及其性质，通过车体等效垂向模型在无损及有损状态下的位移模态及应变模态的仿真分析表明，相对于位移模态，应变模态对损伤更为敏感，利用应变模态差分曲线可确定结构损伤位置及损伤程度，实车有限元模型验证了该结果。利用模态叠加方法可获得车体应变、应力时间历程。
作者：	曹辉
专业：	载运工具运用工程
导师：	张卫华
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文