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铁道车辆空气弹簧动力学特性及其主动控制研究

作　者: 刘增华
导　师: 李芾
学　校: 西南交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 空气弹簧有限元法动力学性能最优控制半主动悬挂
分类号: U270.331.4
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 687次
引　用: 8次
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内容摘要

提高列车运行速度是铁路运输发展中始终追求的目标。随着列车速度的不断提高,对车辆运行品质提出了更高的要求。转向架动力学性能是确保车辆具有良好运行品质的关键,其主要取决于其悬挂装置的特性及参数匹配。空气弹簧具有自振频率低、刚度可调、阻尼可控、降噪吸振能力好、使用寿命长等优点,逐渐代替钢圆簧作为二系悬挂系统的关键部件,近年来在轨道车辆上得到了广泛应用。而空气弹簧阻尼可控的特性为对其进行半主动控制,进一步提高车辆的运行平稳性提供了可能。半主动控制是近年来运用到机车车辆研究领域的一门新技术,其为进一步提高机车车辆动力学性能开辟了新的途径,为机车车辆动力学性能各个方面日益突出的矛盾提供了解决的可能。合理的半主动悬挂系统设计可以在不影响机车车辆稳定性和曲线通过性能的前提下改善机车车辆运行平稳性,以满足车辆高速运行的要求。本文基于有限元和现代控制理论对空气弹簧悬挂系统垂向力学特性、半主动控制控制器的设计和悬挂系统的计算机仿真等进行分析研究,主要研究内容如下:(1)针对空气弹簧的特点,对其热力学特性、垂直刚度特性和阻尼特性进行了系统的理论分析,得出了空气弹簧力学特性的主要影响因素,空气弹簧节流孔孔径与其阻尼的关系;(2)分析空气弹簧系统的材料非线性、几何非线性、状态非线性、流固耦合等对其动力学特性影响较大的非线性问题,并提出了进行力学特性分析时相应的建模方法;(3)采用现代有限元分析技术,以目前国内广泛应用的SYS540型空气弹簧为例,借助于ABAQUS有限元软件建立了有限元仿真分析模型,主要对其垂向力学特性进行了仿真分析,为空气弹簧的设计和制造提供了理论依据;(4)分析天棚阻尼控制、反馈控制、最优控制、预测控制、决策控制、自适应控制、H_∞控制、模糊控制和神经网络控制等半主动控制策略的基本原理及其在半主动控制悬挂系统中的具体应用。通过综合比较最终确定采用最优控制技术来对空气弹簧二系悬挂系统进行半主动控制;(5)建立了车辆垂向半主动悬挂系统完整的数学模型。包括1/4车辆半主动控制数学模型、整车半主动控制数学模型和测控系统输入输出通道模型;(6)运用半主动控制技术分析包括空气弹簧的1/4车辆模型和整车模型的最优控制策略,提出了一套以调节空气弹簧节流孔直径从而改变悬挂系统阻尼为目的的半主动控制方案,并运用计算机软件SIMULINK对半主动控制空气弹簧悬挂系统进行了计算机仿真分析。结果表明所设计出的控制器能有效降低车辆的垂向振动,提高了其运行平稳性;(7)进一步对控制器的性能影响因素进行分析,提出了所设计的最优控制器的实际效果很大程度上取决所选用的加权矩阵,即使半主动悬挂系统所有的参数和工作条件完全一样,由于所选用的加权矩阵不同,可能会导致其性能完全不同。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-13
第1章绪论  13-30
  1.1 问题提出  13-16
  1.2 研究意义  16-18
  1.3 国内外研究和应用现状  18-28
    1.3.1 车辆悬挂系统发展及现状  18-24
    1.3.2 国外空气弹簧研究及应用现状  24-26
    1.3.3 国内空气弹簧研究及应用现状  26-28
  1.4 本文研究内容  28-30
第2章空气弹簧系统基本特性  30-61
  2.1 空气弹簧系统工作原理  30-33
    2.1.1 节流孔  31-32
    2.1.2 高度控制阀  32
    2.1.3 差压阀  32-33
  2.2 空气弹簧模式  33-34
    2.2.1 囊式空气弹簧  33
    2.2.2 膜式空气弹簧  33-34
    2.2.3 混合式空气弹簧  34
  2.3 空气弹簧组成及应用  34-35
  2.4 空气弹簧主要特性  35-39
  2.5 热力学特性  39-43
  2.6 垂向刚度特性  43-49
  2.7 阻尼特性  49-55
  2.8 节流孔直径计算  55-59
  2.9 本章小结  59-61
第3章空气弹簧非线性研究  61-74
  3.1 橡胶材料非线性  61-64
  3.2 气囊复合材料结构及几何非线性  64-69
  3.3 状态非线性  69-71
  3.4 气体模拟  71-72
  3.5 本章小结  72-74
第4章空气弹簧动力学特性分析  74-92
  4.1 有限元模型  74-77
    4.1.1 单元选择  74-75
    4.1.2 网格划分  75-77
  4.2 非线性有限元分析方法  77-79
    4.2.1 边界条件和接触关系  77-79
    4.2.2 非线性分析步骤  79
  4.3 垂向动力学特性分析  79-87
    4.3.1 垂向动力学特性计算结果  80-82
    4.3.2 气体压力对垂向力学特性的影响  82-85
    4.3.3 附加空气室容积对垂向力学特性的影响  85
    4.3.4 帘线对垂向力学特性的影响  85-87
  4.4 垂向静力学性能试验  87-91
    4.4.1 试验方法  87-88
    4.4.2 试验设备  88-89
    4.4.3 试验结果  89-91
  4.5 本章小结  91-92
第5章半主动悬挂系统控制策略研究  92-111
  5.1 机车车辆悬挂系统  92-93
  5.2 悬挂系统力学模型  93-95
  5.3 半主动悬挂控制策略  95-106
    5.3.1 天棚阻尼控制  95-97
    5.3.2 反馈控制  97-98
    5.3.3 最优控制  98-100
    5.3.4 预测控制  100-102
    5.3.5 决策控制  102
    5.3.6 自适应控制  102-103
    5.3.7 H_∞控制  103-104
    5.3.8 模糊控制  104-105
    5.3.9 神经网络控制  105-106
  5.4 最优控制基本理论  106-110
  5.5 本章小结  110-111
第6章基于半主动控制空气弹簧悬挂系统  111-149
  6.1 数学模型  111-119
    6.1.1 车辆悬挂系统  111-116
    6.1.2 测控系统输入通道  116-119
    6.1.3 测控系统输出通道  119
  6.2 空气弹簧悬挂系统半主动控制策略  119-126
    6.2.1 最优控制策略  120-123
    6.2.2 控制策略的实现  123-126
  6.3 计算机仿真  126-148
    6.3.1 白噪声激励模型  127-129
    6.3.2 美国5级谱激励模型  129-131
    6.3.3 美国3级谱激励模型  131-133
    6.3.4 影响因素分析  133-148
  6.4 本章小结  148-149
结论  149-153
  1. 主要创新点  149
  2. 主要研究结论  149-151
  3. 研究展望  151-153
致谢  153-154
参考文献  154-166
攻读博士学位期间发表的论文  166

铁道车辆空气弹簧动力学特性及其主动控制研究

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