基于多体动力学的车辆道岔通过性能研究

道岔复杂的轮轨关系及其变截面特性是车辆通过道岔时引起振动甚至脱轨的关键因素.根据60kg/m钢轨18号可动心轨道岔设计布置图,在多体动力学软件中建立车辆—道岔耦合系统模型,在此基础上对车辆—道岔系统模型进行验证,仿真计算车辆侧向和直向通过道岔的动力学响应.结果表明转辙器区、辙叉区轨道截面变化和轮轨型面匹配是影响车辆动力学性能的主要因素.最后,对车辆侧向通过离散轨道模型工况下的动力学响应进行仿真计算,讨论道岔轨下整体刚度和阻尼对模型动力学性能的影响,为改善车辆通过道岔时的动力学性能、道岔轨下刚度与阻尼参数匹配提供理论基础.     

柔性轮对结构振动对车辆动力学性能的影响

为研究轮对柔性对车辆动力学的影响,建立高速列车轮对的有限元模型,对轮对进行自由模态分析.通过模态综合法获取柔性轮对模态信息,应用多体系统动力学理论建立柔性轮对-刚性轨道接触力学模型;建立包含高速旋转柔性轮对的车辆-轨道耦合动力学模型,研究高速列车在直线和曲线通过时轮对结构振动对车辆动力学性能的影响.结果表明:轮对的结构振动对轮轨接触点位置、蠕滑率、蠕滑力和脱轨因数等均产生较明显的影响,但是对轮重减载率影响较小,因此应采用更加精确的柔性轮轨耦合模型研究轮轨相互作用、轮轨滚动接触疲劳和轮轨噪声等.     

车辆系统的非线性行驶动力学响应

深入研究车辆在粗糙路面行驶而激励引起的非线性振动响应,对揭示复杂动态响应机理和提升动力学性能具有重要的理论意义与工程价值.首先,本文利用运动非线性机制,建立质心垂向平移和绕质心俯仰的两自由度车辆系统的力学模型,利用拉格朗日方程导出系统的非线性运动微分方程,分析自由振动系统的非线性回复力、势能曲线特性及平衡点稳定性.其次,针对自由振动系统,分析线性近似系统的频率比随参数的变化规律,又利用谐波平衡法分析非线性近似系统的幅频曲线特性.最后,针对强迫振动系统,利用数值方法得到系统的阻尼、路面波长及波幅对幅频响应曲线的影响规律.结果表明,新型车辆模型具有复杂非线性动力学特性,为行驶车辆系统提供参数设计和揭示振动机理提供理论参考.     

履带车辆半主动悬挂计算机仿真研究

基于可调式半主动悬挂系统,以保持车辆悬挂性能最优或次优,可改善车辆振动环境。用动力学分析软件RecurDyn和控制分析软件Matlab／Simulink联合仿真,通过实体建模方法对高速履带车辆整车进行了被动和半主动悬挂对比仿真分析,研究结果表明,半主动控制通过悬挂阻尼力的变化改善车体振动效果明显,在高速履带车辆上采用可调阻尼式的半主动悬挂控制是可行和有效的。     

电磁比例节流阀稳态特性仿真分析

该文分别建立了某履带车辆半主动油气悬挂系统中用于实现系统阻尼可调的电磁比例节流阀的流量特性、刚度特性以及工作稳定性的数学模型,并根据电磁比例节流阀的实际工作环境,以MATLAB/SIMULINK作为仿真平台,对电磁比例节流阀的稳态特性进行了仿真,得到了电磁比例节流阀在不同开口时的流量特性曲线、刚度特性曲线和工作稳定性曲线,并对仿真结果进行了分析,分析结果对于优化电磁比例节流阀的设计参数、分析悬挂系统的阻尼特性以及改进悬挂控制系统的设计均有重要的指导意义.     

混合动力车辆转矩控制策略研究

在履带车辆行驶稳定性能的研究中,对比传统履带车辆结构形式,串联混合动力履带车辆的结构系统存在非线性特点,稳定性能很难保证.为了优化串联混合动力履带车辆的直驶稳定性能和转向性能,提出转矩调节控制策略;建立了驾驶员模型(包括加速踏板模型、制动踏板模型、方向盘模型)和整车动力学模型.根据驾驶员模型和整车动力学模型,采用转矩调节控制策略,在直驶加速、转向等工况下,进行了计算机仿真,结果表明转矩调节控制策略能有效的满足串联混合动力履带车辆的动力学需求.     

利用变截面阻尼油孔实现舰载机前起落架突伸性能的优化

为提高舰载机的起飞性能,通过对双腔油气缓冲器阻尼油孔截面积随行程变化的控制,实现某舰载机前起落架突伸性能优化. 该方法选取二质量弹簧-阻尼器系统作为前起落架突伸运动的力学模型,将阻尼油孔面积随行程变化的函数代入突伸运动微分方程,建立以突伸时间为优化目标的数学模型. 采用黄金分割优化方法,得到优化后突伸运动位移和速度曲线. 经与3组不同直径常截面油孔在同样结构参数和初始填充参数下曲线的对比分析,证明采用变截面油孔缓冲器优化前起落架突伸性能的合理性.     

高速列车转向架的主动稳定性研究

提出了基于构架横向振动的高速列车稳定性主动控制方法,讨论了采用惯性作动器控制构架横向振动,以及对动力转向架驱动系统采用主动弹性悬挂这两种实施方式.以车辆蛇行稳定性指标和控制力作为两个目标函数,利用遗传算法(NSGA-II)来优化控制参数和驱动系统悬挂参数.研究表明构架横向振动控制可以有效地提高转向架蛇行稳定性.同时发现当直接反馈构架状态实现构架振动控制时,控制系统时滞易导致系统失稳,因此提出一种通过反馈附加振子状态的方法来减小时滞的影响,合理的附加振子悬挂参数有利于提高车辆系统稳定性.较硬的附加振子可提高转向架控制系统的蛇行临界速度裕度,但会导致控制系统在一定的时滞内出现不稳定的现象.因此,在优化附加振子悬挂参数时,必须同时兼顾转向架蛇行稳定性和控制系统稳定性.本文对于涉及的350 km/h高速列车转向架,得出了附加振子的最佳固有频率和阻尼比.     

路面激扰与电磁激扰下电动轮车辆系统非线性全局动态特性研究

为研究电动轮车辆系统在路面 电磁联合激励下的非线性振动特性,并挖掘参数与初始条件协同作用下系统全局动力学信息,建立了计及悬架系统和轮胎的非线性弹簧力和阻尼力的电动轮车辆系统两自由度1/4垂向振动非光滑非线性时变动力学模型,考虑外部激励的谐波性和随机性以及电磁激励的分段周期性,得到了含谐波性、随机性和周期性的复杂外激励模型,分析了驱动电机转速与多初值的关联性对系统动力学共存行为及其分岔的影响规律,研究了共存运动的多样性及其吸引域的拓扑构型,揭示了转速对系统全局动力学稳定性的影响机理.结果表明：电机转速与多初值协同作用诱发系统出现多样性的共存运动,共存运动吸引域的拓扑结构复杂多样,部分共存运动的振动幅值可能较大亦可能很小,其全局动力学稳定性差异较大.电机转速与初值的协同作用对电动轮车辆系统非线性振动和全局动态特性的影响不予忽视.本文研究对电动轮车辆系统的动态性能改善和结构优化具有重要的理论意义和工程价值.     

舰载机前起落架突伸性能优化

为提高舰载机的起飞性能,通过对双腔油气缓冲器阻尼油孔截面积随行程变化的控制,实现某舰载机前起落架突伸性能优化. 该方法选取二质量弹簧-阻尼器系统作为前起落架突伸运动的力学模型,将阻尼油孔面积随行程变化的函数代入突伸运动微分方程,建立以突伸时间为优化目标的数学模型. 采用黄金分割优化方法,得到优化后突伸运动位移和速度曲线. 经与3组不同直径常截面油孔在同样结构参数和初始填充参数下曲线的对比分析,证明采用变截面油孔缓冲器优化前起落架突伸性能的合理性.     

空气弹簧在100%低地板轻轨车上应用可行性分析*

基于多体动力学仿真软件SIMPACK,对某型采用纵向耦合边驱电机转向架的100%低地板轻轨车三模块编组建模,在MATLAB/Simulink中对其中央悬挂部件空气弹簧的主气室、节流孔、附加气室建模.对100%低地板轻轨车运行工况进行设定,通过联合仿真的方式对空气弹簧在100%低地板轻轨车上应用可行性进行分析,得到:1)空气弹簧应用到100%低地板车上后,车辆蛇行失稳临界速度为149km/h,大于设计时速,车辆有较好的运行稳定性.2)车辆运行时,平稳性及最大加速度指标均小于2.5,车辆有较好的运行平稳性.3)车辆通过小半径曲线时,轮重减载率、脱轨系数、轮轴横向力、轮轨横向力指标均小于评判标准限值,车辆有较好的曲线通过能力.4)空气弹簧在通过工况设定的小半径曲线时,各项性能指标均符合该型空气弹簧技术标准,空气弹簧在100%低地板轻轨车上应用可行.     

基于Adams/Car的汽车前悬架仿真分析及优化设计

针对某车型的麦弗逊前悬架系统,用车辆多体动力学仿真软件Adams/Car建立该悬架的虚拟样机模型,对其进行双轮同向跳动激振仿真分析,并综合评价该悬架的车轮定位参数、主销后倾拖距和转向角随轮跳的响应特性.在仿真分析的基础上,针对不合理的结构设计参数,利用Adams/Insight模块进行基于设计变量灵敏度分析的优化设计.优化后的悬架参数能很好地满足设计要求,从而达到提高该悬架系统整体性能的目的.     

基于不同线路条件下的车辆动力学性能分析

随着我国在既有线上的线路改造和载运量的不断增加,对线路参数的设计要求也随之提高。应用动力学方法建立车辆-轨道系统动力学模型,研究不同曲线半径和线路激励对车辆动力学性能的影响。研究结果表明：增加曲线半径有利于增加车辆曲线通过安全性,车辆经过曲线线路连接处时脱轨概率变大,驶入曲线时的脱轨系数明显高于驶出曲线,重点考虑曲线线路连接位置处的车辆通过速度以及车辆运行状态;适当增加曲线半径可以减少轮轨间磨耗,有效降低磨耗速度;轨道激励变化对车辆临界速度的影响较大,应根据实际运行工况模拟得出最佳临界速度范围。     

Effect of tangent track buckle on vehicle derailment

In order to investigate the effect of a tangent track buckle on the dynamic derailment of a railway vehicle, a coupled vehicle/track dynamics model is developed, in which the vehicle is modeled as a 35 D.O.F. multibody system and the track is modeled as a 3-layer discrete elastic support model. Rails are assumed to be Timoshenko beams supported by discrete sleepers, and the effects of vertical and lateral motions and rolling of the rail on the wheel/rail creepages are taken into account. The sleepers are treated as Euler beams on elastic foundation for the vertical vibration, while as lumped masses in the lateral direction. A moving sleeper support model is developed to simulate the effect of the periodical discrete sleepers on the vehicle/track interaction. The vehicle and the track are coupled by wheel/rail contacts whereas the normal forces and the creep forces are calculated using the Hertzian contact theory and the nonlinear creep theory by Shen et al., respectively. The equations of motion of the coupled vehicle/track system are solved by means of an explicit integration method. A tangent track buckle is simulated with a cosine function, which describes the misalignment of the track with different lengths due to its buckling. In the analysis the effects of the buckle wavelength and amplitude and of the vehicle speed on the dynamic behavior of the coupled vehicle/track system are considered. The present paper analyzes in detail the conventional derailment coefficients which include the ratio of the wheel/rail lateral force to the vertical force, the wheel load reduction, and the new criteria indicating the wheel/rail contact point traces and the wheel rise with respect to the rail. These criteria are simultaneously used to evaluate the risk of derailment of the whole vehicle. The numerical results obtained indicate that the track misalignment caused by the buckle and the vehicle speed have a great influence on the whole vehicle running safety when the vehicle passes through the buckled tangent track.     

基于UM的磁浮列车-轨道梁耦合振动仿真程序开发

基于大型通用多体动力学仿真分析平台Universal Mechanism(UM),开发用于磁浮列车 轨道梁耦合振动仿真的专用程序UM Maglev,其中：磁浮列车设置为多刚体模型,弹簧和阻尼器的刚度和阻尼视为线性或非线性力元;轨道梁设置为三维铁木辛柯梁模型,或从外部有限元软件导入模态分析结果;轨道线路包含平面和纵断面曲线、超高和轨面随机不平顺;悬浮和导向系统控制采用PID模型;多体动力学系统微分 代数方程求解采用Park刚性稳定法。该程序可用于考察磁浮列车的曲线通过性能、运行平稳性和乘坐舒适度,研究悬浮/导向气隙与磁浮控制系统参数优化,分析轨道梁在动态电磁力作用下的振动响应。     

Global sensitivity analysis of bogie dynamics with respect to suspension components

The effects of bogie primary and secondary suspension stiffness and damping components on the dynamics behavior of a high speed train are scrutinized based on the multiplicative dimensional reduction method (M-DRM). A one-car railway vehicle model is chosen for the analysis at two levels of the bogie suspension system: symmetric and asymmetric configurations. Several operational scenarios including straight and circular curved tracks are considered, and measurement data are used as the track irregularities in different directions. Ride comfort, safety, and wear objective functions are specified to evaluate the vehicle’s dynamics performance on the prescribed operational scenarios. In order to have an appropriate cut center for the sensitivity analysis, the genetic algorithm optimization routine is employed to optimize the primary and secondary suspension components in terms of wear and comfort, respectively. The global sensitivity indices are introduced and the Gaussian quadrature integrals are employed to evaluate the simplified sensitivity indices correlated to the objective functions. In each scenario, the most influential suspension components on bogie dynamics are recognized and a thorough analysis of the results is given. The outcomes of the current research provide informative data that can be beneficial in design and optimization of passive and active suspension components for high speed train bogies.     

针对多个动力学性能的整车多目标优化

针对难以用传统单目标方法开发综合性能好的汽车的问题,建立整车刚柔耦合多体动力学模型,用车身垂向加速度、前后轮荷标准差和横摆角速度超调量等3个参数表征乘坐舒适性、行驶安全性和操纵稳定性等3方面性能,并采用多目标遗传算法进行优化.从优化得到的一组Pareto解集中选取一个最优解,有效提高汽车的若干性能,证明该方法能有效优化整车动力学性能.