一種高速動車組車體彈性模態(tài)振動控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高速動車組車體彈性模態(tài)振動控制方法，包括以下步驟：S1，獲取車體實體模型，獲得彈性模態(tài)振動能量分布，確定車體振動控制的目標模態(tài)；S2，確定多個車下吊掛設(shè)備的安裝位置，并確定車體振動控制的目標模態(tài)位于各車下吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量；S3，確定各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)固有頻率與阻尼比；S4，確定各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)橫向剛度、垂向剛度和阻尼系數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明無須改變原輕量化車體結(jié)構(gòu)，即可實現(xiàn)對車體多階彈性模態(tài)振動的控制，提升車輛運行平穩(wěn)性，改善車輛乘坐舒適度，原理明確，實施方便，成本低，適用于高速動車組車體彈性模態(tài)振動的控制。
【專利說明】
-種高速動車組車體彈性模態(tài)振動控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種彈性模態(tài)振動控制方法，尤其是設(shè)及一種高速動車組車體彈性模 態(tài)振動控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鐵道車輛振動控制，一直是研究學(xué)者和設(shè)計人員關(guān)注的熱點問題。鐵道車輛車體 振動可W分為兩類即：剛性振動與彈性振動。影響車體振動的剛性振動是車體浮沉振動、車 體點頭振動、車體搖頭振動和車體側(cè)滾振動，運些振動的頻率主要集中在甜Z W下。影響車 體振動的彈性振動主要是通常集中在細Z~15化之間的車體低階彎曲彈性模態(tài)振動，如車 體菱形變形模態(tài)振動、車體垂向一階彎曲振動、車體橫向一階彎曲振動及車體一階扭轉(zhuǎn)模 態(tài)振動等。而人體對垂向振動最敏感的頻率范圍是4Hz~10化，接近于車體低階彈性模態(tài)振 動頻域，因此，為了保證鐵道車輛具備良好的乘坐舒適性，降低車體的彈性振動十分重要。 到目前為止，對鐵道車輛車體振動控制主要采用主動懸掛或半主動懸掛控制方法，但運些 控制方法較為復(fù)雜、且成本高、維護難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種能實現(xiàn)對車體 多階彈性模態(tài)振動控制、提高車輛運行平穩(wěn)性、改善車輛乘坐舒適度的高速動車組車體彈 性模態(tài)振動控制方法。
[0004] 本發(fā)明的目的可W通過W下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0005] -種高速動車組車體彈性模態(tài)振動控制方法，用于對高速動車組車體的振動進行 控制，其特征在于，該方法包括W下步驟：
[0006] S1，獲取車體實體模型，進行車體振動分析，獲得彈性模態(tài)振動能量分布，確定車 體振動控制的目標模態(tài);所確定的車體振動控制的目標模態(tài)可W是某一階模態(tài)，也可W是 某幾階模態(tài)。
[0007] S2,根據(jù)目標模態(tài)，確定多個車下吊掛設(shè)備的安裝位置，并確定車體振動控制的目 標模態(tài)位于各車下吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量；
[000引S3,根據(jù)等價模態(tài)質(zhì)量，確定各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)固有頻率與阻尼比；
[0009] S4,根據(jù)各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)固有頻率與阻尼比，確定各車下吊掛設(shè)備的 減振系統(tǒng)橫向剛度、垂向剛度和阻尼系數(shù)；
[0010] S5,將各車下吊掛設(shè)備與車體連接，實現(xiàn)對車體的振動控制。
[0011] 所述的步驟S1包括W下步驟：
[0012] S1.1，獲取車體實體模型，對實體模型進行有限元模態(tài)分析，確定車體彈性模態(tài)模 態(tài)頻率，有限元模型為整備狀態(tài)且無車下吊掛設(shè)備；
[0013] S1.2,建立包含車體彈性模態(tài)和多個車體吊掛設(shè)備的車體剛?cè)岫U合動力學(xué)模型并 進行動力學(xué)分析，采集車體振動加速度頻譜特性數(shù)據(jù)，并分析車體振動中彈性模態(tài)振動能 量分布，確定車體振動控制的目標模態(tài)。
[0014] 所述的步驟S1.2中，所述的車體振動加速度頻譜特性數(shù)據(jù)通過車輛W特定速度運 行時的仿真計算得到，特定速度指車輛實際最高運營速度或在固定區(qū)段所期望的運營速 度。
[0015] 所述的步驟S1.2中，數(shù)據(jù)采集、能量分布分析及目標模態(tài)確定具體為:令車輛W實 際最高運營速度或在固定區(qū)段所期望的運營速度運行，采集車體中屯、位置及轉(zhuǎn)向架上方車 體距地板中屯、左側(cè)Im位置處的垂向振動加速度頻譜特性數(shù)據(jù)，將頻率作為橫坐標，各頻率 點采集的振動加速度幅值作為縱坐標，將最大振動加速度幅值所對應(yīng)橫坐標處的頻率值作 為車體彈性模態(tài)族中垂向振動主頻率，將與垂向振動主頻率對應(yīng)的模態(tài)作為車體振動控制 的垂向目標模態(tài)；同理，采集車體中屯、位置及轉(zhuǎn)向架上方車體距地板中屯、左側(cè)Im位置處的 橫向振動加速度頻譜特性數(shù)據(jù)，確定車體彈性模態(tài)族中橫向振動主頻率及橫向目標模態(tài)。
[0016] 所述的步驟S2包括W下步驟：
[0017] S2.1，根據(jù)車體振動控制的目標模態(tài)的振型，均勻分配車體各輪軸載重，確定各車 下吊掛設(shè)備安裝位置，具體為:依據(jù)步驟S1.2確定的車體振動控制目標模態(tài)振型情況，結(jié)合 車輛底架下方實際的空間情況，初步選擇車下吊掛設(shè)備的安裝位置，運些位置應(yīng)盡量接近 目標模態(tài)振型變形的最大位置;為了保證車輛具有良好的運行穩(wěn)定性及安全性，應(yīng)保證車 輛輪軸載重均勻分布，依據(jù)此條件，結(jié)合各車下吊掛設(shè)備實際質(zhì)量及初步選擇的安裝位置， 對各車下吊掛設(shè)備安裝位置進行合理排列，確定車下吊掛設(shè)備安裝的最優(yōu)位置方案，盡量 將質(zhì)量大的吊掛設(shè)備布置在車體中部附近W保證對車體某些具有對稱形式的彈性模態(tài)振 動控制效果；
[001引S2.2，對加入車下吊掛設(shè)備的車體建立有限元模型，利用模態(tài)分析與質(zhì)量感應(yīng)法， 確定車體振動控制的目標模態(tài)在各車下吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量。
[0019] 所述的步驟S2.2包括W下步驟：
[0020] S2.2.1，在車體有限元模型中第j個車下吊掛設(shè)備安裝位置處，建立集中質(zhì)量單 元，集中質(zhì)量單元與車體采用剛性連接，對集中質(zhì)量單元的質(zhì)量取多個不同值，例如1噸、2 噸、3噸、4噸、5噸，分別利用模態(tài)分析，確定相應(yīng)的第i階車體振動控制的目標模態(tài)頻率值；
[0021] S2.2.2,利用式（1)，即質(zhì)量感應(yīng)法，確定第i階車體振動控制目標模態(tài)在第j個吊 掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量Mji;
[0022]
(1)
[0023] 其中：Am扣是在第j個吊掛設(shè)備安裝位置處附加的集中單元質(zhì)量，F(xiàn)i是車體第i個 振動控制目標模態(tài)頻率，。1是在第j個吊掛設(shè)備安裝位置處附加質(zhì)量A 后第i階車體振 動控制目標模態(tài)頻率；
[0024] S2.2.3，把附加的集中單元質(zhì)量大小作為橫軸，對應(yīng)的等價模態(tài)質(zhì)量作為縱軸，二 者關(guān)系繪圖表示，利用最小二乘曲線擬合法，獲得附加質(zhì)量為0時的等價模態(tài)質(zhì)量，作為去 除誤差后的車體振動控制的目標模態(tài)在車下吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量；
[0025] S2.2.4,返回步驟S2.2.1，直到車體振動控制的各階目標模態(tài)在全部車下吊掛設(shè) 備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量確定完畢。
[00%] 所述的步驟S3包括W下步驟：
[0027] S3.1，根據(jù)步驟S2得到的等價模態(tài)質(zhì)量，分別利用車體垂向振動與橫向振動加速 度響應(yīng)的動力吸振最優(yōu)法，確定各車下吊掛設(shè)備的橫向減振系統(tǒng)固有頻率與垂向減振系統(tǒng) 固有頻率；
[00%] S3.2，利用基于車體振動加速度響應(yīng)的最優(yōu)阻尼，依據(jù)步驟S2得到的等價模態(tài)質(zhì) 量，確定各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)阻尼比。
[0029] 所述的步驟S3.1包括W下步驟：
[0030] S3.1.1，利用式(2)，即車體垂向振動加速度響應(yīng)的動力吸振最優(yōu)法，確定各車下 吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)垂向固有頻率；
(2)
[0031]
[0032] 其中是第j個車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)垂向固有頻率，是第j個車下吊掛設(shè) 備的質(zhì)量;Fiv是車體振動控制的第i階車體垂向目標模態(tài)頻率;是第i階車體振動控制目 標模態(tài)在第j個車下吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量；
[0033] S3.1.2,利用式(3)，即車體橫向振動加速度響應(yīng)的動力吸振最優(yōu)法，確定各車下 吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)橫向固有頻率；
(3)
[0034]
[0035] 其中：f>是第j個車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)橫向固有頻率，F(xiàn)iL是車體振動控制的 第i階車體橫向目標模態(tài)頻率。
[0036] 所述的步驟S3.2中，各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)阻尼比計算按照式(4):
[0037]
(4)
[0038] 式中，是第j個車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)阻尼比，是第i階車體振動控制目標 模態(tài)在第j個車下吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量。
[0039] 所述的步驟S4包括W下步驟：
[0040] S4.1，依據(jù)步驟S3.1得到的各車下吊掛設(shè)備的橫向與垂向減振系統(tǒng)固有頻率，確 定各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)橫向剛度與垂向剛度；
[0041] S4.2,依據(jù)步驟S3.2得到的減振系統(tǒng)阻尼比與步驟S4.1得到的減振系統(tǒng)橫向與垂 向剛度，確定各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)阻尼系數(shù)。
[0042] 所述的步驟S4.1包括W下步驟：
[0043] S4.1.1，確定車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)垂向剛度kjv:
[0044]
(5)
[0045] 其中，η為車下吊掛設(shè)備吊掛點數(shù)；
[0046] S4.1.2,確定車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)橫向剛度kjL:
[0047]
(6)c
[0048] 所述的步驟S4.2中，各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)阻尼系數(shù)根據(jù)式(7)確定：
[0049]
(7)
[0050] 其中，Cj為第j個車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)阻尼系數(shù)。
[0051] 本方法對高速動車組車下吊掛設(shè)備減振系統(tǒng)固有頻率與阻尼比實施優(yōu)化設(shè)計，調(diào) 整車下吊掛設(shè)備對車體的反作用力，實現(xiàn)對車體多階彈性模態(tài)振動的控制，并提高車輛運 行平穩(wěn)性，改善車輛乘坐舒適度。
[0052] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下優(yōu)點：
[0053] (1)根據(jù)車體振動控制的目標模態(tài)來優(yōu)化設(shè)計車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)及元件參 數(shù)，無須改變原輕量化車體結(jié)構(gòu)即可實現(xiàn)對車體多階彈性模態(tài)振動的控制，有效提升車輛 運行平穩(wěn)性，改善車輛乘坐舒適度，且原理明確，實施方便，成本低，適用于高速動車組車體 彈性模態(tài)振動的控制。
[0054] (2)可W實現(xiàn)對車體某一階彈性模態(tài)振動的控制，也可W同時實現(xiàn)對車體多階彈 性模態(tài)振動的控制，振動控制效果顯著，實效性高。
[0055] (3)車體振動加速度頻譜特性數(shù)據(jù)通過車輛W最高運營速度或在固定區(qū)段中期望 的運營速度運行時的仿真計算得到，依據(jù)此所進行的振動控制設(shè)計針對性突出。
[0056] (4)通過先確定車體振動控制的目標模態(tài)，然后加入車下吊掛設(shè)備，確定車體振動 控制的目標模態(tài)位于車下吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量，采用最小二乘線性擬合消 除零點誤差，提高控制精度。
[0057] (5)本發(fā)明控制方法簡單，易于工程實現(xiàn)。
【附圖說明】
[005引圖1為本發(fā)明振動控制方法流程示意圖；
[0059] 圖2為本發(fā)明動車組車體與車下吊掛設(shè)備結(jié)構(gòu)簡化圖；
[0060] 圖3為本實施例中車體未施加振動控制時，車體中屯、位置垂向振動加速度頻譜特 性示意圖；
[0061] 圖4為本實施例車體未施加振動控制時，車體中屯、位置橫向振動加速度頻譜特性 不意圖；
[0062] 圖5為本實施例確定車體垂向一階彎曲模態(tài)在車體中部吊掛設(shè)備安裝位置處的等 價模態(tài)質(zhì)量示意圖；
[0063] 圖6為本實施例確定車體橫向一階彎曲模態(tài)在車體中部吊掛設(shè)備安裝位置處的等 價模態(tài)質(zhì)量示意圖；
[0064] 圖7為本實施例車體施加本發(fā)明振動控制前后，車體中屯、位置垂向振動加速度頻 譜特性對比圖；
[0065] 圖8為本實施例車體施加本發(fā)明振動控制前后，車體中屯、位置橫向振動加速度頻 譜特性對比圖。
【具體實施方式】
[0066] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例W本發(fā)明技術(shù)方案 為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于 下述的實施例。
[0067] 實施例
[0068] 如圖1所示，一種高速動車組車體彈性模態(tài)振動控制方法，用于對高速動車組車體 的振動進行控制，該方法包括W下步驟：
[0069] S1，獲取車體實體模型，進行車體振動分析，獲得彈性模態(tài)振動能量分布，確定車 體振動控制的目標模態(tài);所確定的車體振動控制的目標模態(tài)可W是某一階模態(tài)，也可W是 某幾階模態(tài)。
[0070] 本步驟S1具體包括W下步驟：
[0071 ] S1.1，獲取車體實體模型，對實體模型進行有限元模態(tài)分析，確定車體彈性模態(tài)頻 率，有限元模型為整備狀態(tài)且無車下吊掛設(shè)備；
[0072] S1.2,建立包含車體彈性模態(tài)和多個車體吊掛設(shè)備的車體剛?cè)岫U合動力學(xué)模型并 進行動力學(xué)分析，采集車體振動加速度頻譜特性數(shù)據(jù)，并分析車體振動中彈性模態(tài)振動能 量分布，確定車體振動控制的目標模態(tài)。具體為:令車輛W實際最高運營速度或在固定區(qū)段 所期望的運營速度運行，采集車體中屯、位置及轉(zhuǎn)向架上方車體距地板中屯、左側(cè)Im位置處的 垂向振動加速度頻譜特性數(shù)據(jù)，將頻率作為橫坐標，各頻率點采集的振動加速度幅值作為 縱坐標，將最大振動加速度幅值所對應(yīng)橫坐標處的頻率值作為車體彈性模態(tài)族中垂向振動 主頻率，將與垂向振動主頻率對應(yīng)的模態(tài)作為車體振動控制的垂向目標模態(tài)；同理，采集車 體中屯、位置及轉(zhuǎn)向架上方車體距地板中屯、左側(cè)Im位置處的橫向振動加速度頻譜特性數(shù)據(jù)， 確定車體彈性模態(tài)族中橫向振動主頻率及橫向目標模態(tài)。
[0073] 步驟S1.2中，車體振動加速度頻譜特性數(shù)據(jù)通過車輛W實際最高運營速度或在固 定區(qū)段所期望的運營速度運行時的仿真計算得到。
[0074] S2,根據(jù)目標模態(tài)，確定多個車下吊掛設(shè)備的安裝位置，并確定車體振動控制的目 標模態(tài)位于各車下吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量；
[00巧]步驟S2包括W下步驟：
[0076] S2.1，根據(jù)車體振動控制的目標模態(tài)振型，均勻分配車體各輪軸載重，確定各車下 吊掛設(shè)備安裝位置，具體為:依據(jù)步驟S1.2確定的車體振動控制目標模態(tài)振型情況，結(jié)合車 輛底架下方實際的空間情況，初步選擇車下吊掛設(shè)備的安裝位置，運些位置應(yīng)盡量接近目 標模態(tài)振型變形的最大位置;為了保證車輛具有良好的運行穩(wěn)定性及安全性，應(yīng)保證車輛 輪軸載重均勻分布，依據(jù)此條件，結(jié)合各車下吊掛設(shè)備實際質(zhì)量及初步選擇的安裝位置，對 各車下吊掛設(shè)備安裝位置進行合理排列，確定車下吊掛設(shè)備安裝的最優(yōu)位置方案，盡量將 質(zhì)量大的車下吊掛設(shè)備布置在車體中部附近W保證對車體某些具有對稱形式的彈性模態(tài) 振動控制效果；
[0077] S2.2，對加入車下吊掛設(shè)備的車體建立有限元模型，利用模態(tài)分析與質(zhì)量感應(yīng)法， 確定車體振動控制的目標模態(tài)在各車下吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量。
[0078] 其中步驟S2.2包括W下步驟：
[0079] S2.2.1，在車體有限元模型中第j個車下吊掛設(shè)備安裝位置處，建立集中質(zhì)量單 元，集中質(zhì)量單元與車體采用剛性連接，對集中質(zhì)量單元的質(zhì)量取多個不同值，例如1噸、2 噸、3噸、4噸、5噸，分別利用模態(tài)分析，確定相應(yīng)的第i階車體振動控制的目標模態(tài)頻率值；
[0080] S2.2.2，利用式（1 )，即質(zhì)量感應(yīng)法，確定第i階車體振動控制目標模態(tài)在第j個車 下吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量Mji;
[0081 ]
(1)
[0082] 其中：Amw是在第j個車下吊掛設(shè)備安裝位置處附加的集中單元質(zhì)量，F(xiàn)i是車體第 i個振動控制目標模態(tài)頻率，是在第j個車下吊掛設(shè)備安裝位置處附加質(zhì)量Amw后第i階 車體振動控制目標模態(tài)頻率；
[0083] S2.2.3，把附加的集中單元質(zhì)量大小作為橫軸，對應(yīng)的等價模態(tài)質(zhì)量作為縱軸，二 者關(guān)系繪圖表示，利用最小二乘曲線擬合法，獲得附加質(zhì)量為0時的等價模態(tài)質(zhì)量，作為去 除誤差后的車體振動控制的目標模態(tài)在車下吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量；
[0084] S2.2.4,返回步驟S2.2.1，直到車體振動控制的各階目標模態(tài)在全部車下吊掛設(shè) 備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量確定完畢。
[0085] S3,根據(jù)等價模態(tài)質(zhì)量，確定各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)固有頻率與阻尼比；
[00化]步驟S3包括W下步驟：
[0087] S3.1，根據(jù)步驟S2得到的等價模態(tài)質(zhì)量，分別利用車體垂向振動與橫向振動加速 度響應(yīng)的動力吸振最優(yōu)法，確定各車下吊掛設(shè)備的橫向減振系統(tǒng)固有頻率與垂向減振系統(tǒng) 固有頻率；
[0088] 其中，步驟S3.1包括W下步驟：
[0089] S3.1.1，利用式(2)，即車體垂向振動加速度響應(yīng)的動力吸振最優(yōu)法，確定各車下 吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)垂向固有頻率；
(2)
[0090]
[0091] 其中是第j個車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)垂向固有頻率，是第j個車下吊掛設(shè) 備的質(zhì)量;Fiv是車體振動控制的第i階車體垂向目標模態(tài)頻率;是第i階車體振動控制目 標模態(tài)在第j個車下吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量；
[0092] S3.1.2,利用式(3)，即車體橫向振動加速度響應(yīng)的動力吸振最優(yōu)法，確定各車下 吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)橫向固有頻率；
(3)
[0093]
[0094] 其中：f>是第j個車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)橫向固有頻率，F(xiàn)il是車體振動控制的 第i階車體橫向目標模態(tài)頻率。
[00M] S3.2,利用基于車體振動加速度響應(yīng)的最優(yōu)阻尼，依據(jù)步驟S2得到的等價模態(tài)質(zhì) 量，確定各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)阻尼比，各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)阻尼比計算按照 式(4):
[0096]
(4)
[0097] 式中，是第j個車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)阻尼比，是第j個車下吊掛設(shè)備的質(zhì) 量，Mji是第i階車體振動控制目標模態(tài)在第j個車下吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量。
[0098] S4,根據(jù)各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)固有頻率與阻尼比，確定各車下吊掛設(shè)備的 減振系統(tǒng)橫向剛度、垂向剛度和阻尼系數(shù)。
[0099] 步驟S4包括W下步驟：
[0100] S4.1，依據(jù)步驟S3.1得到的各車下吊掛設(shè)備的橫向與垂向減振系統(tǒng)固有頻率，確 定各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)橫向剛度與垂向剛度；
[0101] 其中步驟S4.1包括W下步驟：
[0102] S4.1.1，確定車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)垂向剛度kjv:
[01 0引
（5)
[0104] 其中，η為車下吊掛設(shè)備吊掛點數(shù)；
[0105] S4.1.2,確定車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)橫向剛度kjL:
[0106]
(6)。
[0107]步驟S4.2中，各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)阻尼系數(shù)根據(jù)式(7)確定：
[010 引
（7)
[0109] 其中，cj為第j個車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)阻尼系數(shù)。
[0110] S4.2,依據(jù)步驟S3.2得到的減振系統(tǒng)阻尼比與步驟S4.1得到的減振系統(tǒng)橫向與垂 向剛度，確定各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)阻尼系數(shù)。
[0111] S5,將各車下吊掛設(shè)備與車體連接，實現(xiàn)對車體的振動控制。
[0112] 本發(fā)明是利用車下吊掛設(shè)備對車體振動進行控制的設(shè)計方法，其中包括分析車體 振動中彈性模態(tài)振動能量分布，確定車體振動控制的目標模態(tài);根據(jù)車體振動控制目標模 態(tài)振型，結(jié)合車輛各輪軸載重均勻分配，確定車下吊掛設(shè)備安裝的最優(yōu)位置方案，并確定車 體振動控制目標模態(tài)位于車下吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量;確定車下吊掛設(shè)備減 振系統(tǒng)固有頻率與阻尼比；確定車下吊掛設(shè)備減振元件參數(shù)等內(nèi)容，整個流程如圖1所示。
[0113] 圖2所示為車體與車下吊掛設(shè)備簡化模型圖示，其中，車體1通過減振元件與車下 吊掛設(shè)備2相連接，減振元件包括減振剛度元件3與減振阻尼元件4。
[0114] 針對國內(nèi)某高速動車組整備狀態(tài)無吊掛車體，建立其有限元模型并進行模態(tài)分 析，確定其主要低階彈性模態(tài)族的頻率分布，如表1所示。
[0115] 表1整備狀態(tài)無吊掛的高速動車組車體模態(tài)分析結(jié)果
[0116]
[0117] 建立該高速動車組車輛剛?cè)岫U合動力學(xué)模型并進行動力學(xué)分析，采集其車體地板 中屯、位置處垂向振動加速度頻譜特性數(shù)據(jù)如圖3所示。從圖中可W看處，除低頻的1~2Hz頻 率范圍的車體垂向剛性振動外，車體中部的垂向振動能量大部分集中在7~12化頻率范圍 內(nèi)，且車體垂向一階彎曲模態(tài)頻率處的振動加速度幅值最大，運說明車體垂向一階彎曲模 態(tài)對垂向振動貢獻的能量最高，據(jù)此可確定車體中部垂向振動控制的目標模態(tài)為車體垂向 一階彎曲模態(tài)。
[0118] 采集的車體地板中屯、位置處橫向振動加速度頻譜特性數(shù)據(jù)如圖4所示。從圖中可 W看處，除低頻的2HzW下頻率范圍的車體橫向剛性振動外，車體中部橫向一階彎曲模態(tài)頻 率處的振動加速度幅值最大，運說明車體橫向一階彎曲模態(tài)對橫向振動貢獻的能量最高， 據(jù)此可確定車體中部橫向振動控制的目標模態(tài)為車體橫向一階彎曲模態(tài)。
[0119] W單個車下吊掛設(shè)備(設(shè)備質(zhì)量3000kg)為例進一步說明本發(fā)明控制方法。依據(jù)確 定的車體振動控制目標模態(tài):車體垂向一階彎曲模態(tài)與橫向一階彎曲模態(tài)，上述模態(tài)振型 在車體中部的變形最大，則該車下吊掛設(shè)備安裝于車體中部下方時，對降低目標模態(tài)振動 的效果最佳，且滿足軸重均勻條件，故該車下設(shè)備最佳安裝位置為車體中部下方。
[0120] 在車體有限元模型中部車下設(shè)備安裝位置處，建立集中質(zhì)量單元，集中質(zhì)量單元 與車體采用剛性連接，利用模態(tài)分析，分別確定集中質(zhì)量單元質(zhì)量為1噸、2噸、3噸、4噸及5 噸時，車體垂向一階彎曲模態(tài)與橫向一階彎曲模態(tài)頻率值;隨后，采用等價質(zhì)量識別法，即 式（1)，分別確定垂向一階彎曲模態(tài)與橫向一階彎曲模態(tài)在該設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài) 質(zhì)量，并把附加的集中單元質(zhì)量大小作為橫軸，對應(yīng)的等價模態(tài)質(zhì)量作為縱軸，二者關(guān)系繪 圖表示，附加質(zhì)量與垂向一階彎曲模態(tài)等價模態(tài)質(zhì)量關(guān)系如圖5所示，附加質(zhì)量與橫向一階 彎曲模態(tài)等價模態(tài)質(zhì)量關(guān)系圖6所示。利用最小二乘曲線擬合法，讀出附加質(zhì)量為0時的等 價模態(tài)質(zhì)量，則得到車體垂向一階彎曲模態(tài)在該設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量為 15380kg、車體橫向一階彎曲模態(tài)在該設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量為22830kg。
[0121] 利用車體垂向振動加速度響應(yīng)的動力吸振最優(yōu)法，即式(2)，則得到該車下吊掛設(shè) 備的減振系統(tǒng)垂向固有頻率為8.25化。
[0122] 利用車體橫向振動加速度響應(yīng)的動力吸振最優(yōu)法，即式(3)，則得到該車下吊掛設(shè) 備的減振系統(tǒng)橫向固有頻率為11.3細Z。
[0123] 依據(jù)車體振動加速度響應(yīng)的最優(yōu)阻尼，即式(4)，則得到該車下吊掛設(shè)備的減振系 統(tǒng)最優(yōu)阻尼比為0.24。
[0124] 依據(jù)式(5)，貝峭到車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)每吊掛點垂向動剛度為2.02MN/m。
[0125] 依據(jù)式(6)，貝峭到車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)每吊掛點橫向動剛度為3.82MN/m。
[0126] 依據(jù)式(7)，則得到車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)每吊掛點阻尼系數(shù)為7.46X104N· s/m〇
[0127] 圖7是未施加振動控制與施加本發(fā)明方法的振動控制時，車體地板中屯、位置處垂 向振動加速度頻譜特性對比圖。從圖中可W看處，采用本發(fā)明高速動車組車體振動控制方 法后，實現(xiàn)了對車體垂向一階彎曲模態(tài)振動的有效控制，車體垂向一階彎曲模態(tài)頻率處的 振動加速度幅值由0.147m/s2降低至0.028m/s2，降低幅度可達81 %。
[0128] 圖8是未施加振動與施加本發(fā)明控制方法的振動控制時，車體地板中屯、位置處橫 向振動加速度頻譜特性對比圖。從圖中可W看處，采用本發(fā)明高速動車組車體振動控制方 法后，實現(xiàn)了對車體橫向一階彎曲模態(tài)振動的有效控制，車體橫向一階彎曲模態(tài)頻率處的 振動加速度幅值由0.145m/s2降低至0.043m/s2，降低幅度可達70%。
[0129] 本方法對高速動車組車下吊掛設(shè)備減振系統(tǒng)固有頻率與阻尼比實施優(yōu)化設(shè)計，調(diào) 整車下吊掛設(shè)備對車體的反作用力，實現(xiàn)對車體多階彈性模態(tài)振動的控制，并提高車輛運 行平穩(wěn)性，改善車輛乘坐舒適度。
【主權(quán)項】
1. 一種高速動車組車體彈性模態(tài)振動控制方法，用于對高速動車組車體的振動進行控 制，其特征在于，該方法包括以下步驟： S1，獲取車體實體模型，進行車體振動分析，獲得彈性模態(tài)振動能量分布，確定車體振 動控制的目標模態(tài)； 52, 根據(jù)目標模態(tài)，確定多個車下吊掛設(shè)備的安裝位置，并確定車體振動控制的目標模 態(tài)位于各車下吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量； 53, 根據(jù)等價模態(tài)質(zhì)量，確定各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)固有頻率與阻尼比； 54, 根據(jù)各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)固有頻率與阻尼比，確定各車下吊掛設(shè)備的減振 系統(tǒng)橫向剛度、垂向剛度和阻尼系數(shù)； S5，將各車下吊掛設(shè)備與車體連接，實現(xiàn)對車體的振動控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速動車組車體彈性模態(tài)振動控制方法，其特征在于，所 述的步驟S1包括以下步驟： S1.1，獲取車體實體模型，對實體模型進行有限元模態(tài)分析，確定車體彈性模態(tài)頻率； 51.2, 建立包含車體彈性模態(tài)和多個車體吊掛設(shè)備的車體剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型并進行 動力學(xué)分析，采集車體振動加速度頻譜特性數(shù)據(jù)，并分析車體振動中彈性模態(tài)振動能量分 布，確定車體振動控制的目標模態(tài)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高速動車組車體彈性模態(tài)振動控制方法，其特征在于，所 述的步驟S1.2中，所述的車體振動加速度頻譜特性數(shù)據(jù)通過車輛以實際最高運營速度或在 固定區(qū)段所期望的運營速度運行時的仿真計算得到。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高速動車組車體彈性模態(tài)振動控制方法，其特征在于，所 述的步驟S1.2中，數(shù)據(jù)采集、能量分布分析及目標模態(tài)確定具體為:令車輛以實際最高運營 速度或在固定區(qū)段所期望的運營速度運行，采集車體中心位置及轉(zhuǎn)向架上方車體距地板中 心左側(cè)lm位置處的垂向振動加速度頻譜特性數(shù)據(jù)，將頻率作為橫坐標，各頻率點采集的振 動加速度幅值作為縱坐標，將最大振動加速度幅值所對應(yīng)橫坐標處的頻率值作為車體彈性 模態(tài)族中垂向振動主頻率，將與垂向振動主頻率對應(yīng)的模態(tài)作為車體振動控制的垂向目標 模態(tài)；同理，采集車體中心位置及轉(zhuǎn)向架上方車體距地板中心左側(cè)lm位置處的橫向振動加 速度頻譜特性數(shù)據(jù)，確定車體彈性模態(tài)族中橫向振動主頻率及橫向目標模態(tài)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速動車組車體彈性模態(tài)振動控制方法，其特征在于，所 述的步驟S2包括以下步驟： S2.1，根據(jù)車體振動控制的目標模態(tài)的振型，均勻分配車體各輪軸載重，確定各車下吊 掛設(shè)備安裝位置； S2.2，對加入車下吊掛設(shè)備的車體建立有限元模型，利用模態(tài)分析與質(zhì)量感應(yīng)法，確定 車體振動控制的目標模態(tài)在各車下吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高速動車組車體彈性模態(tài)振動控制方法，其特征在于，所 述的步驟S2.2包括以下步驟： S2.2.1，在車體有限元模型中第j個吊掛設(shè)備安裝位置處，建立集中質(zhì)量單元，集中質(zhì) 量單元與車體采用剛性連接，對集中質(zhì)量單元的質(zhì)量取多個不同值，分別利用模態(tài)分析，確 定相應(yīng)的第i階車體振動控制的目標模態(tài)頻率值； 52.2.2, 利用式（1)，即質(zhì)量感應(yīng)法，確定第i階車體振動控制目標模態(tài)在第j個吊掛設(shè) 備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量M#;其中：Δπ^是在第j個吊掛設(shè)備安裝位置處附加的集中單元質(zhì)量，？1是車體第i個振動 控制目標模態(tài)頻率，是在第j個吊掛設(shè)備安裝位置處附加質(zhì)量Am#后第i階車體振動控 制目標t吳態(tài)頻率； S2.2.3，把附加的集中單元質(zhì)量大小作為橫軸，對應(yīng)的等價模態(tài)質(zhì)量作為縱軸，二者關(guān) 系繪圖表示，利用最小二乘曲線擬合法，獲得附加質(zhì)量為0時的等價模態(tài)質(zhì)量，作為去除誤 差后的車體振動控制的目標模態(tài)在車下吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量； S2.2.4,返回步驟S2.2.1，直到車體振動控制的各階目標模態(tài)在全部車下吊掛設(shè)備安 裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量確定完畢。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速動車組車體彈性模態(tài)振動控制方法，其特征在于，所 述的步驟S3包括以下步驟： S3.1，根據(jù)步驟S2得到的等價模態(tài)質(zhì)量，分別利用車體垂向振動與橫向振動加速度響 應(yīng)的動力吸振最優(yōu)法，確定各車下吊掛設(shè)備的橫向減振系統(tǒng)固有頻率與垂向減振系統(tǒng)固有 頻率； S3.2，利用基于車體振動加速度響應(yīng)的最優(yōu)阻尼，依據(jù)步驟S2得到的等價模態(tài)質(zhì)量，確 定各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)阻尼比。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種高速動車組車體彈性模態(tài)振動控制方法，其特征在于，所 述的步驟S3.1包括以下步驟： S3.1.1，利用式(2)，即車體垂向振動加速度響應(yīng)的動力吸振最優(yōu)法，確定各車下吊掛 設(shè)備的減振系統(tǒng)垂向固有頻率；其中：是第j個車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)垂向固有頻率，1?是第j個車下吊掛設(shè)備的 質(zhì)量;Fiv是車體振動控制的第i階車體垂向目標模態(tài)頻率;Mji是第i階車體振動控制目標模 態(tài)在第j個車下吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量； S3.1.2,利用式(3)，即車體橫向振動加速度響應(yīng)的動力吸振最優(yōu)法，確定各車下吊掛 設(shè)備的減振系統(tǒng)橫向固有頻率；其中是第j個車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)橫向固有頻率，F(xiàn)a是車體振動控制的第i階 車體橫向目標模態(tài)頻率。9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的一種高速動車組車體彈性模態(tài)振動控制方法，其特征在 于，所述的步驟S3.2中，各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)阻尼比計算按照式(4):式中，ζ」是第j個車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)阻尼比，是第i階車體振動控制目標模態(tài) 在第j個吊掛設(shè)備安裝位置處的等價模態(tài)質(zhì)量。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種高速動車組車體彈性模態(tài)振動控制方法，其特征在于， 所述的步驟S4包括以下步驟： S4.1，依據(jù)步驟S3.1得到的各車下吊掛設(shè)備的橫向與垂向減振系統(tǒng)固有頻率，確定各 車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)橫向剛度與垂向剛度，其中減振系統(tǒng)垂向剛度kjv按照式(5)計算：減振系統(tǒng)橫向剛度按照式(6)計算：式中，η為吊掛設(shè)備吊掛點數(shù)； S4.2,依據(jù)步驟S3.2得到的減振系統(tǒng)阻尼比與步驟S4.1得到的減振系統(tǒng)橫向與垂向剛 度，根據(jù)式(7)確定各車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)阻尼系數(shù)：式中，W為第j個車下吊掛設(shè)備的減振系統(tǒng)阻尼系數(shù)。
【文檔編號】G05B13/04GK105824238SQ201610152566
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月17日
【發(fā)明人】宮島, 周勁松, 杜帥妹, 孫文靜, 孫煜, 夏張輝
【申請人】同濟大學(xué)