車輛—軌道耦合系統(tǒng)高效隨機振動分析及優(yōu)化.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、隨著能源環(huán)境問題的日益突出和不斷增加的交通運輸需求,世界鐵路建設呈現(xiàn)出了客運高速化、貨運重載化的發(fā)展趨勢,這也日益加劇了車輛與軌道、橋梁、地基、弓網(wǎng)以及周邊建筑等結(jié)構(gòu)的動力相互作用,直接關系到列車與線路的安全性、平順性、疲勞、噪聲等一系列問題。軌道不平順是引起鐵路機車車輛振動的公認的主要激勵源,它具有明顯的隨機性。對軌道不平順作用下車輛—軌道耦合系統(tǒng)進行隨機振動分析,尤其是對其功率譜的計算,在鐵路運輸?shù)膭恿τ嬎阒姓紦?jù)極其重要的地位。

2、r>  然而,由于軌道結(jié)構(gòu)龐大的計算自由度和傳統(tǒng)頻域和時域隨機振動分析方法的低效,對上述問題進行求解需要花費高額的計算成本,迄今為止對這一領域的研究還大都只能局限于采用較簡單的分析模型,這顯然無法滿足現(xiàn)代鐵路列車實際工程的需要,因此亟需發(fā)展新的計算理論和數(shù)值方法。
  本博士學位論文立足于現(xiàn)代化鐵路建設的具體需求,以發(fā)展有效的復雜耦合系統(tǒng)隨機振動響應行為預測理論與數(shù)值方法為目標,實現(xiàn)了有限元車輛—軌道耦合系統(tǒng)的高效隨機振動分析及其

3、平順性優(yōu)化,具體研究內(nèi)容如下:
  1.隨機載荷作用下無窮周期鏈式結(jié)構(gòu)振動分析擴展的辛數(shù)學方法
  本文擴展了辛數(shù)學方法的適用范圍,使其可以用于計算任意載荷作用下無窮周期鏈式結(jié)構(gòu)的動力響應。該方法只以受力子結(jié)構(gòu)為研究對象,首先利用無窮周期鏈式結(jié)構(gòu)傳遞系數(shù)的性質(zhì)消去子結(jié)構(gòu)中不獨立的自由度,得到了系數(shù)矩陣中含有波數(shù)的凝聚運動方程。然后基于這類結(jié)構(gòu)的色散關系和辛數(shù)學方法的基本假定提出了離散和閉合兩種子結(jié)構(gòu)運動方程的求解形式:前者是

4、將波數(shù)在區(qū)間[0,2π)上均勻離散,得到一系列的通帶傳播系數(shù),則結(jié)構(gòu)的響應可以通過對通帶頻率響應進行累加而得到;后者則是將凝聚運動方程的系數(shù)矩陣和響應進行傅立葉展開,通過波數(shù)與時間的變量分離而得到。最后將該方法與虛擬激勵法相結(jié)合,實現(xiàn)了任意平穩(wěn)/非平穩(wěn)隨機載荷作用下無窮周期鏈式結(jié)構(gòu)的隨機振動分析。
  2.周期系數(shù)時變系統(tǒng)隨機振動分析的周期擬穩(wěn)態(tài)方法
  本文基于虛擬激勵的具體形式、變量分離手段和Schur分解技巧,提出了一

5、種用于周期系數(shù)時變系統(tǒng)隨機振動分析的周期擬穩(wěn)態(tài)方法。首先采用虛擬激勵法將平穩(wěn)/非平穩(wěn)的隨機激勵轉(zhuǎn)化為確定性的虛擬激勵,建立了虛擬激勵作用下時變系統(tǒng)的周期系數(shù)運動方程,并將其引入狀態(tài)空間;然后將載荷向量中與頻率相關的項進行分離,通過對系統(tǒng)進行一個周期內(nèi)的逐步積分運算,求解出耦合系統(tǒng)狀態(tài)空間下的周期狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和周期載荷系數(shù)向量;最后利用方程解的周期性和Schur分解技巧將傳統(tǒng)計算方法中的逐步積分過程轉(zhuǎn)化為了系數(shù)矩陣為上三角陣的線性方程組求

6、解問題,從而將虛擬激勵作用下系統(tǒng)的確定性時間歷程分析轉(zhuǎn)化為了簡單的擬穩(wěn)態(tài)響應分析,計算效率較之基于逐步積分方法的非平穩(wěn)隨機振動虛擬激勵法又提高了1-2個數(shù)量級。
  3.多體動力學車輛—軌道耦合系統(tǒng)高效隨機振動分析
  本文采用虛擬激勵法、辛數(shù)學方法、對稱性凝聚方法和周期擬穩(wěn)態(tài)方法對高低、方向和水平三類軌道不平順同時作用下二維垂向/三維多體動力學車輛—軌道耦合系統(tǒng)的隨機動力響應進行了求解。具體做法是:首先采用虛擬激勵法將上述

7、三類軌道不平順轉(zhuǎn)化為一系列相應的虛擬簡諧軌道不平順,將時變耦合系統(tǒng)受多源多點完全相干平穩(wěn)激勵的隨機振動分析問題轉(zhuǎn)化為三類廣義單點虛擬軌道不平順分別單獨作用下耦合系統(tǒng)確定性響應的求解問題。在此基礎上,根據(jù)車輛定點和車輛移動兩種多體動力學車輛—軌道耦合系統(tǒng)分析模型各自的特點,結(jié)合虛擬激勵的具體形式,將辛數(shù)學方法、擴展的辛數(shù)學方法和對稱性凝聚方法分別應用于建立耦合系統(tǒng)兩種分析模型的二維垂向和三維運動方程,極大程度地降低了耦合系統(tǒng)的計算自由度。

8、最后采用周期擬穩(wěn)態(tài)方法將車輛移動模型的運動方程整理為擬穩(wěn)態(tài)求解形式,通過求解線性方程組方便地得到了車輛定點和車輛移動兩種模型的虛擬響應,進而得到了響應的功率譜和標準差。通過分析結(jié)果對車輛定點和車輛移動兩種模型進行了對比,對車輛速度、軌道不平順等級等參數(shù)進行了討論,并對車輛—軌道耦合系統(tǒng)隨機動力響應的傳遞機理進行了探討。
  4.精細有限元車輛—軌道耦合系統(tǒng)高效隨機振動分析
  本文基于多體動力學車輛—軌道耦合系統(tǒng)隨機振動的分

9、析方法,在普通的個人電腦上首次實現(xiàn)了具有數(shù)十萬自由度的精細有限元車輛—軌道耦合系統(tǒng)精確、高效的隨機振動分析。車輛各構(gòu)件采用有限元軟件Ansys建模,利用其自由模態(tài)、通過一系、二系懸掛裝置將它們連接在一起;軌道采用三維三層離散點支承梁模型。首先應用虛擬激勵法將高低、方向、水平和軌距四類軌道不平順轉(zhuǎn)化為相應的簡諧虛擬軌道不平順,從根本上解決了對精細有限元模型進行隨機振動分析時計算效率極其低下的問題;在此基礎上,將有限元車輛運動方程與低自由度

10、的軌道結(jié)構(gòu)辛運動方程耦合在一起,求解得到了耦合系統(tǒng)的虛擬響應,進而得到了響應的功率譜和標準差。最后對車輛各構(gòu)件彈性振動的發(fā)生機理進行了深入的研究,并繪制了車輛各構(gòu)件的隨機動力響應標準差云圖。通過這些云圖可以直觀地查看軌道不平順作用下車輛各構(gòu)件不同部位的隨機振動總體情況,以此確定車輛結(jié)構(gòu)中振動較強的薄弱部位,為實際工程中車輛的設計和維護提供了有力的依據(jù)。
  5.基于有限元車輛—軌道耦合系統(tǒng)的車輛平順性優(yōu)化
  本文在精細有限

11、元車輛—軌道耦合系統(tǒng)高效隨機振動分析的基礎上,采用具有百萬量級自由度的精細車體有限元剛—柔混合車輛—軌道耦合系統(tǒng)分析模型實現(xiàn)了國產(chǎn)某高速列車頭車懸架系統(tǒng)的平順性優(yōu)化設計。優(yōu)化中選取車體地板上54個熱點作為研究對象,采用ISO2631國際標準對其舒適度進行了評估;提出了以一系和二系懸掛裝置的剛度和阻尼共8個參數(shù)為設計變量、以各點舒適度指標的最大值為目標函數(shù)的最小—最大優(yōu)化問題;采用K-S函數(shù)對目標函數(shù)進行擬合,使其具備良好的整體性、光滑性

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