基于准零刚度理论的悬挂式单轨车辆二系悬挂系统研究

二系悬挂系统是保证悬挂式单轨车辆安全、平稳运行的重要部件之一。基于准零刚度及多体动力学理论,建立了二系悬挂装置具有准零刚度特性的悬挂式单轨车辆系统垂向模型,推导了悬挂式车辆垂向振动方程。在此基础上,开展了二系悬挂准零刚度系统与传统线性刚度系统隔振特性的对比研究。结果表明:通过既有垂向弹性元件并联斜置弹簧的方式,可实现悬挂式单轨转向架二系悬挂系统的准零刚度特性;相对传统线性刚度系统,二系悬挂准零刚度系统的车辆垂向动态响应在时域内明显降低,在频域范围内的低频段隔振效果良好。     

适应负载变化的准零刚度扭转隔振器设计与分析

针对现有准零刚度扭转隔振器仅适用于恒定负载的问题,设计了一种通过调节正刚度来适应负载变化,同步调节负刚度使隔振器始终工作在准零刚度状态的新型准零刚度扭转隔振器。该隔振器由提供负刚度的扭转磁弹簧和提供正刚度的弹簧片组成,其中扭转磁弹簧由径向磁化的内、外环磁铁组成,通过调节内、外环的轴向相对位置改变负刚度,利用等效磁荷法得到了磁弹簧的扭矩计算模型,分析了弹簧片参数对正、负刚度匹配后刚度特性的影响。建立了系统的动力学模型,采用谐波平衡法求解了隔振器的动态响应,分析了激励幅值和阻尼比对隔振器隔振性能的影响,结果表明,扭转隔振器在不同载荷状态下均具有良好的低频隔振效果。设计制造了隔振器样机,并进行了不同静载荷状态下的静力学试验,试验得到的扭矩-角位移曲线与理论计算结果吻合良好,试验结果表明,该隔振器可以通过调节磁弹簧的轴向相对位置和弹簧片的有效作用长度,实现正、负刚度的同步调节。     

双联3K型行星齿轮系统固有特性分析

为研究双联3K行星齿轮系统固有特性,根据系统各构件间的相对位移,考虑啮合刚度和支承刚度的影响,采用集中参数法建立其平移-扭转耦合动力学模型。运用MATLAB中eig函数求解动力学方程,得到系统的固有频率和振动模式,研究刚度和行星轮个数对系统固有特性的影响。结果表明:系统具有3种振动模式,中心构件扭转振动模式、中心构件平移振动模式及行星轮振动模式;3种振动模式下的固有频率个数与行星轮个数无关;2 000 Hz以内的中心构件平移振动模式的固有频率受行星轮个数的影响显著;系统低阶固有频率受支承刚度影响大于啮合刚度,且2 000 Hz以内的低阶固有频率受第一级齿圈支承刚度影响较大。研究结果为双联3K行星齿轮系统的动态特性优化设计提供了理论依据。     

端部约束悬臂输流管道的动力学特性

根据梁模型横向弯曲振动模态函数一般表达式,由边界约束条件确定其模态函数的一般表达式,采用Galerkin法将运动方程在模态空间内展开,利用动力学分析方法,分析端部受线性弹簧支承和扭转弹簧约束的端部约束悬臂管道从非保守系统逐渐变为保守系统过程中的固有特性和稳定性。数值仿真结果表明,这种特殊边界输流管道具有复杂变化的动力学特性,支承和约束刚度系数的变化对系统固有特性和稳定性产生很大的影响:随着弹簧刚度的增大,系统的固有频率上升,管道失稳方式从颤振变为屈曲,并且影响系统其他参数对管道动力学特性的作用。     

基于小波有限元的悬臂梁裂纹识别

研究了悬臂梁裂纹识别中的正反问题．即通过裂纹位置和尺寸求解梁的固有频率以及利用梁的固有频率．识别裂纹位置和尺寸。以矩形截面裂纹悬臂梁为例，利用小波有限元方法建立了梁自由振动的有限元模型．其中裂纹被看作为一刚度已知的扭转线弹簧，求解出了系统的固有频率；通过行列式变换，将反问题求解简化为只含线弹簧刚度一个未知数的一元二次方程求根问题，分别做出了以不同固有频率作为输入值时裂纹位置与弹簧刚度之间的解曲线，曲线交点预测出裂纹的位置与尺寸。数值算例证实了算法的有效性，为工程结构裂纹故障预示与诊断提供了新的方法。     

基于精确几何模型梁单元的螺旋弹簧刚度分析

以精确几何模型梁单元为基础,对圆截面螺旋弹簧刚度的非线性特性进行了分析。结合弹簧细长结构的变形特点,选取弹簧半径、弹簧高度、螺旋线极角和簧丝截面扭转角作为螺旋弹簧的描述变量;按照Bernoulli梁理论,通过形心曲线切矢量和簧丝截面扭转角建立截面坐标系;基于大转动梁的变形虚功率,获得螺旋弹簧曲率矢量,构建弹簧变形虚功率;应用柔体建模过程的滤除高频震荡分量方法修正弹簧系统动力学方程求得弹簧刚度,提高计算效率。数值算例表明,计算结果符合弹簧刚度的受力变形规律。同时与弹簧经典理论算法和传统有限元方法进行对比,验证了分析方法的正确性和合理性。     

后驱车传动系统扭转与弯曲振动的NVH性能

采用多体动力学理论建立后驱传动系统扭转振动分析的刚柔耦合模型,计算出传动系统各个档位扭转振动的固有频率和振型。传动系统的固有频率影响变速器敲击,并用NVH实验进行验证。系统谐响应分析和强迫振动分析结果通过传动系统扭振实验得到了验证。最后,采用模态综合法计算出传动轴系的弯曲模态,并与有限元法对比,得到较好的一致性。中间支撑刚度影响传动轴系一阶模态。     

高速列车转向架技术研究

高速铁路运营对转向架技术提出了更高要求,为能设计出性能更优越的动车组转向架,调查了中国高速动车组的线路条件、动车组的车轮踏面磨耗情况,分析轮轨匹配关系;动力学分析中考虑了转臂节点、抗蛇行减振器、空气弹簧等部件的非线性特性,橡胶、减振器等减振元件高低温变化条件下车辆参数的变化,电机弹性悬挂方式等,在实际轮轨匹配关系基础上建立了车辆系统动力学模型。动力学系统仿真选择了最优悬挂参数,结合部件台架测试对悬挂元件进行了工程化设计;为掌握转向架服役周期内关键部件可靠性,对运用动车组转向架进行了大量的动应力测试,系统分析了中国无砟轨道条件下转向架主要承载区域载荷随车辆运营周期、不同气候条件、不同线路条件下的变化趋势,建立了中国高速列车载荷谱体系。通过结构、悬挂、传动、制动、焊接、降噪、轮轨等系统集成,形成高速列车转向架技术体系。     

一系螺旋弹簧动刚度对车辆-轨道耦合振动影响分析

建立准确表征一系悬挂轴箱螺旋弹簧波动特性的力学模型,运用动刚度矩阵法求解,研究其对悬挂系统隔振性能影响。结合基于格林函数法的车辆-轨道耦合动力学模型,引入弹簧刚度频变特性,对比分析考虑一系螺旋弹簧频变刚度前后车辆动力学性能之间的差异。结果表明,动刚度矩阵法可以精确求解螺旋弹簧随频率变化的动刚度特性,在一阶模态振动频率后弹簧刚度值呈现103等级的剧烈变化,该结果与有限元模型结果一致;一系螺旋弹簧的动态频率特性导致轮轨激励由车轮至构架的振动位移传递率提高到接近于1,而对车体的振动传递率提高到了10-3左右;在整车车辆-轨道动力学计算中,其对轮轨振动影响较小,但车体与构架出现了较高的高频振动能量峰值。包含一系悬挂动刚度的车辆模型更接近实际,为了降低车辆振动,应尽量提高一系螺旋弹簧自振频率并降低动刚度变化幅值。       

基于模态分析理论的结合部动刚度辨识EI北大核心CSCD

结合部动力学特性对机械系统动力学性能具有显著影响,结合部动力学信息的准确辨识是组合结构动力学建模的重要前提。基于模态分析理论对结合部动刚度辨识方法进行了深入研究:首先,建立了包含结合部动力学信息的广义动力学模型,从模态分析理论出发,讨论了结合部动力学特性对组合结构固有频率的影响,建立了两者的映射关系;进而,采用质量单元与弹簧阻尼单元建立了理想的动力学有限元模型,通过模态分析所得的固有频率对结合部刚度进行辨识,辨识值与理论值之间最大误差为1.92%;最后,对螺栓连接组合结构进行了模态试验,以所测得的法向及切向典型振型对应固有频率为指标,通过搭建的MATLAB-ANSYS集成平台对螺栓结合部刚度进行辨识,并将所辨识的结合部刚度录入有限元模型,栓接结构固有频率的有限元预测值与实测值之间最大误差率为3.01%;数值模拟试验与现场模态试验的辨识效果均较为理想,验证了方法的可行性。同时,以栓接结构典型振型对应固有频率为指标辨识的结合部动力学刚度信息很好预测其他各阶固有频率的分布,表征和印证了栓接结构在较大预紧力作用下,螺栓结合部非线性动力学特性得到了抑制,满足线性条件假设。     

Dynamic Response Characteristics of a High-Temperature Superconducting Maglev Vehicle under Laterally Unbalanced Load Conditions

Various inevitable disturbances such as crosswinds, centrifugal forces, and nonuniform distributions of passengers or cargos may well cause the unbalanced distribution of the weight on-board of the high-temperature superconducting (HTS) maglev vehicle, more seriously making the maglev vehicle itself overturned. Therefore, it necessitates the investigation of the dynamic responses of the HTS maglev vehicle under unbalanced condition. In our experiments, the unbalanced/balanced weight distributions were artificially created by applying a laterally unbalanced/balanced loading force to the levitated body. Loads are located in the left side of the model for unbalanced load, and in the center of the model for balanced load for contrast. The dynamic responses of the HTS maglev model under such conditions were evaluated by sampling and analyzing the acceleration and displacement signals via the B&K vibration analyzer and a set of laser displacement sensors. The findings clearly reveal that the weight distribution makes a great impact on the dynamic responses of the HTS maglev model, and especially the laterally unbalanced distribution is indeed detrimental to the stability and load capacity of HTS maglev vehicle.     

高架轨道梁结构特性对磁浮系统的动力影响

以德国Transrapid磁浮列车系统为基础,采用现有的磁浮车辆垂向模型,建立了有限元轨道梁模型、磁浮车轨垂向耦合系统模型及其振动微分方程.在此基础上,针对德国在上海的磁浮项目,主要就轨道梁的型式(简支和连续)、支承刚度及轨面不平顺波长对磁浮车辆-轨道耦合系统动力响应的影响等进行了分析.     

Dynamic response characteristics of the high-temperature superconducting maglev system under lateral eccentric distance

Off-centre operation of high-temperature superconducting (HTS) maglev systems caused by inevitable conditions such as the misregistration of vehicle, crosswind and curve negotiation, may change the distribution of the trapped flux in the HTS bulks and the magnetic interaction between HTS bulks and the PMG. It impacts on the performance of HTS maglev, and more seriously makes the maglev vehicle overturned. Therefore, understanding the performance of the HTS maglev in off-center operation is very important. In this paper, the dynamic response characteristics of a cryostat with twenty-four onboard YBaCuO superconductor bulks were experimentally investigated at different eccentric distances under loads before the initial FC process. Parameters such as vibration accelerations, displacement, natural frequency and dynamic stiffness were acquired and analyzed via the B&K vibration analyzer and laser displacement sensors. Results suggest that the natural frequency and dynamic stiffness of the maglev vehicle would be obviously reduced with the eccentric distance, posing negative effects on the stability of HTS maglev.     

磁浮车辆-桥梁耦合系统随机振动分析的时域显式方法研究

轨道不平顺所引起的磁浮车辆-桥梁耦合系统随机振动问题是磁浮列车行驶过程中需要关注的重点问题之一,传统的随机振动方法在解决这类问题时存在工作量大、计算效率低等问题。分别从磁浮车辆系统和桥梁系统出发,建立磁浮车辆系统响应和桥梁系统响应关于车桥相互作用电磁力的时域显式表达式;利用车轨间的电磁力方程及几何相容条件,构建电磁力关于轨道不平顺的时域显式表达式;进一步推导得到轨道不平顺作用下磁浮车辆系统和桥梁系统关键动力响应显式表达式。在此基础上,利用统计矩运算法则,直接获得磁浮车辆系统和桥梁系统关键响应的演变统计矩;也可以利用轨道不平顺的数字生成技术,结合随机模拟法,获得车桥耦合系统关键响应的统计信息。在上述过程中,由于车桥耦合系统关键动力响应的显式表达式已先行构建完毕,因此大幅提升了随机振动分析的计算效率。以二自由度磁浮车辆与桥梁耦合模型为例,阐明了方法列式过程。磁浮列车过多跨简支梁桥的数值算例结果表明,时域显式法具有理想的计算精度和效率。     

车辆系统振动的理论模态分析

将车体和转向架看成弹性体,采用有限元方法,建立用空间梁单元描述的具有50个自由度的车辆系统力学模型,并以客车为例研究其垂向振动的固有特性,所得结果既反映系统动力学性能,又为动态响应计算和分析找下基础。     

磁浮轨检车横向振动及其对磁浮轨道几何参数测量精度的影响

磁浮轨检车是用来检测磁浮轨道几何参数,保证磁浮列车安全运行的轮式特种车辆。建立了磁浮轨检车横向振动二自由度模型,研究了在磁浮轨道随机路面激励下横向振动幅值的大小及其对激光三角法测量磁浮轨道几何参数精度的影响,结果表明该影响在所要求的测量精度范围之内。     

单车过桥下弹性车体共振与消振现象分析

为研究弹性车体振动对车桥系统动力响应影响,将车体视为两端自由的均质等截面欧拉梁、转向架及轮对视为刚体,利用模态叠加法考虑简支梁变形,用轮轨密贴接触假设建立单车通过多跨简支梁的车桥系统动力学方程,并用Newmark-β数值积分法求解系统动力响应。以一系列正弦不平顺为系统激励,研究不平顺激扰下弹性车体共振与消振现象。结果表明,弹性振动主要改变车体的振动量,对桥梁振动反馈作用较小;弹性车体共振被激发时其动力响应被显著放大,共振速度由车辆定距与车体弹性自振频率决定;因存在轴距滤波,当不平顺波长满足弹性车体消振发生条件时车体动力响应被显著抑制。     

独立旋转车轮直线电机地铁车辆动力学分析

为了减小直线电机和感应板的间隙以提高直线电机工作效率,便于直线电机安装和减小直线电机对转向架结构设计要求,提出一种采用独立旋转车轮的直线电机地铁车辆转向架．利用多体动力学软件SIMPACK,对采用独立旋转车轮的直线电机车辆系统进行动力学计算．动力学仿真分析结果表明,采用独立旋转车轮的直线电机车辆具有良好的运行平稳性和曲线通过性能,满足城市轨道交通车辆的要求．     

轨道梁在磁浮列车以共振速度通过时动力响应分析

该文研究了高速磁浮列车运行引起的轨道梁动力响应问题。采用模态综合技术建立了梁墩体系模型,推导了高速磁浮列车轨道梁运动方程,运用迭代技术求解了列车轨道梁系统动力学方程,计算分析了高速磁浮列车通过24m简支轨道梁引起的动力响应,结果表明:随着运行速度提高,轨道梁动力响应相应提高,在350km/h左右存在一阶二次谐波共振;当列车运行速度超过400km/h时,轨道梁和列车动力响应将被显着放大,为避免轨道梁出现一阶一次共振现象,在设计上,应使轨道梁的一阶自振频率远高于磁浮列车与轨道梁的特征频率(即设计速度与车长比值)。