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原文传递考虑关键结构柔性的地铁车辆振动半主动控制研究

论文题名：	考虑关键结构柔性的地铁车辆振动半主动控制研究
关键词：	地铁车辆;振动特性;半主动控制;柔性多体动力学;乘坐舒适性
摘要：	高速化和轻量化是我国城市轨道交通发展不断的主题和方向，而高速化会使得车辆的振动加剧，轻量化使得车辆的结构刚度下降，地铁作为一种当今流行的在城区运行的客载城市轨道车辆，同样存在着这样的问题。传统的地铁车辆动力学计算一般是将车辆各重要部件视为刚性体，为了满足车辆轻量化需求，车体材料大多采用挤压型中空铝材，忽略车辆本身结构柔性的传统方法已经无法再满足动力学计算精度要求，因此在城市轨道交通今的发展形式下，考虑其结构柔性是非常有必要的。在此基础上，通过悬挂系统对地铁车辆振动特性进行有效的控制是解决振动加剧的关键。本文利用有限元理论建立了柔性车体模型和柔性构架模型，基于柔性多体动力学形成刚柔耦合地铁车辆动力学模型，并采用多种天棚半主动悬挂形式(惯性天棚、阻尼天棚和弹性天棚)对地铁车辆进行振动控制，研究其振动控制的可行性和可靠性，为地铁车辆振动控制工程应用提供理论支撑。　　本文以B型地铁为对象，考虑地铁车辆关键零部件的结构柔性，在有限元理论和柔性多体动力学理论的基础上，通过模态分析和子结构分析建立和多刚体车辆模型中参数一致的柔性车体和柔性构架模型，代替多刚体地铁车辆模型中的车体和构架部件，与刚性轮对连接形成刚柔耦合地铁车辆动力学模型。同时，在天棚半主动控制理论的基础上搭建了惯性天棚、阻尼天棚和弹性天棚控制系统，对刚柔耦合地铁车辆模型二系悬挂的横、垂向振动进行调控，研究在考虑地铁车辆结构柔性的情况下，各天棚半主动悬挂在不同的工况下对地铁车辆振动的抑制效果。　　将美国五级轨道谱作为系统激励输入上述三类天棚半主动悬挂的地铁车辆模型中，将多刚体地铁车辆模型和刚柔耦合地铁车辆模型在各种不同运行工况下进行动力学计算，提取车体上多个关键位置的振动加速度以及车辆模型的轮轨力，对两种车辆模型的振动特性、运行平稳性和乘坐舒适性进行对比分析，以探究结构柔性对地铁车辆动力学特性的影响。结果发现：模型中考虑关键结构柔性与不考虑结构柔性时计算结果存在明显差别；在直线路段上运行时，考虑结构柔性最多可使地铁车辆的横向和垂向最大加速度增大546%和627%，横向和垂向RMS增大163%和194%，最大脱轨系数增大250%，横向和垂向平稳性指标增大150%和130%左右；在曲线路段上运行时，考虑结构柔性最多可使地铁车辆的横向和垂向最大加速度增大112%和498%，横向和垂向RMS增大151%和192%，最大脱轨系数增大117%，横向和垂向平稳性指标增大150%和132%。说明在对地铁车辆的运行安全性和平稳性进行评估时，有必要考虑车辆的结构柔性，否则容易导致其运行安全性和平稳性指标过于接近安全阈值，造成不舒服的乘坐体验甚至安全事故。　　在对地铁车辆的运行安全性和平稳性做出准确可靠的评估后，本文通过天棚半主动控制策略及其衍生的惯性天棚算法和弹性天棚算法对考虑结构柔性的地铁车辆模型进行振动控制，对比车辆在各种运行工况下的各个位置的各项动力学特性，研究天棚半主动悬挂对地铁车辆振动加速度、运行安全性和乘坐舒适性的影响规律。结果发现：惯性天棚、阻尼天棚和弹性天棚对柔性地铁车辆模型均有一定程度的振动控制作用，对车辆运行安全性和乘坐舒适性也有一定的改善效果；总体上阻尼天棚半主动悬挂的控制效果最佳，在直线路段上，最多可使地铁车辆的脱轨系数减小78%，使横向平稳性指标减小30%~40%，使垂向平稳性指标减小10%~20%；在曲线路段上，最多可使地铁车辆的脱轨系数减小40%，使横向平稳性指标减小20%~30%，使垂向平稳性指标减小10%~20%。　　基于上述研究结果，选取效果最优的阻尼天棚半主动控制方法，在考虑地铁车辆关键结构弹性的基础上，选取车体车顶、地板、左右侧墙、前后端墙上共20个位置点对地铁车辆整体及局部振动进行全面评估。对比车辆在各种运行工况下的各个位置的各项动力学特性，研究车体上振动强度最大的位置，以便于在该位置处进行结构优化，以及车厢地板上乘坐舒适性最佳的位置，以便于为乘客选择乘坐最舒适的位置提供参考数据和建议。结果发现：车体的前后两端的振动强度最大，尤其是车厢前后端墙，在直线路段时，横、垂向振动加速度最高可达0.115m/s2、0.201m/s2，横、垂向RMS最高可达1.469、1.509，在曲线路段时，横、垂向振动加速度最高可达1.479m/s2、0.299m/s2，横、垂向RMS最高可达1.593、1.500。为了车辆的安全性以及耐久性，应对车体的前后端墙进行结构强度优化；站在车辆地板中部靠近曲率中心一侧的位置处可以获得横向上的最佳乘坐舒适度，站在车辆地板中部远离曲率中心一侧的位置处可以获得垂向上的最佳乘坐舒适度，综合而言，从动力学的角度建议乘客站在地板的中心处时可获得最大舒适度。
作者：	朱国
专业：	机械工程;车辆工程
导师：	陈兆玮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022