详情

原文传递列车--桥梁耦合振动系统动力可靠性分析与参数优化设计

论文题名：	列车--桥梁耦合振动系统动力可靠性分析与参数优化设计
关键词：	列车-桥梁耦合振动系统;动力可靠性;参数优化;数值仿真
摘要：	现代轨道交通运输的快速发展导致车载重量、运载密度和运行速度大幅度提高，使得车辆与轨道、桥梁等结构的服役环境愈加恶劣，因此开展列车-桥梁耦合系统动力学与可靠性分析显得异常重要。列车-桥梁耦合振动系统的参数具有随机不确定性，轨道不平顺等随机激励也进一步加剧了系统振动响应的随机性。因此，本文综合考虑列车-桥梁耦合振动系统模型参数和载荷激励的随机性，开展了系统耦合不确定性动力学建模与分析研究，获取不同服役条件下列车安全性与平稳性指标的概率特征描述方法，研究了轨道载荷谱模型和列车运行速度等因素对系统安全性与平稳性的影响，开展了参数不确定性条件下列车-桥梁耦合振动系统的动力学参数稳健优化设计研究，并结合文献资料和数值仿真对相关结果进行了验证。本文主要研究内容包括: 　　(1)列车-桥梁耦合动力学建模与仿真分析　　首先选用包括车体、前后转向架以及四位轮对的四轴客车整车模型，建立了包括车体和转向架的横摆、侧滚、摇头、沉浮和点头运动以及轮对的横摆、侧滚和沉浮运动等27个自由度的列车多体动力学模型;其次采用广义坐标方法将桥梁近似为等截面简支梁，同时考虑桥梁的扭转和横垂向模态，建立了列车-桥梁的耦合动力学模型;引入德国谱、美国谱和中国干线谱等多个轨道不平顺载荷模型，采用三角级数法开展了轨道谱的时域载荷模拟和验证;最后结合Newmark-β逐步积分法获得了列车稳定性和安全性指标，并依据相关规范和文献结果，对列车-桥梁耦合动力学模型的数值仿真结果进行了对比分析，验证了列车-桥梁空间耦合动力学模型的正确性和有效性。　　(2)列车-桥梁耦合振动系统动力学可靠性分析　　以列车-桥梁耦合随机振动模型为基础，结合试验设计和拉丁超立方抽样技术获得了列车运行安全性和平稳性指标的分数阶矩;以此为约束并结合最大熵优化方法，重构了列车安全性和平稳性等性能指标的概率分布特征;对照国家标准GB5599-85中不同安全性和平稳性等级的规定限值，开展了随机参数和轨道不平顺载荷激励作用下列车的动力学可靠性研究，并采用Monte-Carlo方法验证了计算结果的准确性;研究了运行速度和载荷谱类型等因素对系统动力可靠度的影响。　　(3)列车-桥梁耦合振动系统参数全局灵敏度分析　　以列车平稳性和安全性指标计算的相乘型降维展开模型为基础，结合复杂系统参数全局灵敏度分析的方差正交分解模型，计算了各级悬挂参数、模型结构参数和几何参数对车辆平稳性和安全性性能指标分散性的影响，给出了各个参数的重要度排序，为开展模型参数简化降维和系统不确定性优化设计提供了基础。　　(4)列车-桥梁耦合振动动力学系统参数优化设计　　依据列车-桥梁耦合振动系统参数全局灵敏度分析结果，筛选出系统重要的动力学参数，分别建立脱轨系数、轮重减载率以及横垂向舒适度指标的Kriging代理模型，结合试验设计和随机模拟方法验证了替代模型的准确性;在此基础上，以列车安全性与平稳性指标的分散性最小化以及性能指标均值最小化为目标，通过遗传优化算法进行全局寻优，获得了列车-桥梁耦合振动系统动力性能的单目标与综合稳健性优化设计方案，数值模拟表明综合稳健性优化方案的性能提升效果更为明显。
作者：	王新凯
专业：	机械工程
导师：	张旭方
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东北大学
学位年度：	2019