铁道车辆悬挂参数稳健性设计及多目标优化.pdf
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1、- I - 摘 要 列车安全以及稳定地运行是铁路运输的基本要求。 高速列车的发展使得列车 运行速度不断提升,这对于车辆运行的稳定性提出了更高的要求。车辆悬挂系统 能够抑制蛇形运动,确保车辆运行的稳定性,它的设计非常重要。 论文以 CRH2动车组拖车为研究对象,建立了车辆动力学模型,并对该模型 做了参数化处理,完成了临界速度、脱轨系数以及轮重减载率这三个车辆运行稳 定性指标的计算。在此基础上,结合多目标优化软件 Isight,通过最优拉丁超立 方算法完成实验设计,进而建立车辆横向动力学 Kriging 近似模型,基于该近似 模型运用归一法结合第二代非劣排序遗传算法完成了对上述车辆运行稳定性指 标
2、的多目标优化。论文还运用蒙特卡洛模拟对这三个目标的稳健性作了分析, 并 运用 6 Sigma 稳健优化方法对悬挂参数做了稳健设计。结果表明,经过优化的悬 挂参数设置有利于提高车辆运行稳定性。 关键词:关键词:铁道车辆悬挂系统稳定性稳健性设计多目标优化 - II - Abstract It is basically required that train operates safely and stably. The development of high-speed trains makes the train speed upgrade, puts forward higher requir
3、ement for the running stability of vehicles. The vehicle suspension system can inhibit the serpentine movement, which can ensure the operation stability of vehicles. Its design is very important. Based on the CRH2EMU trailer as the research object, the vehicle dynamics model is established, and the
4、model has been parameterized. Besides, the calculation of three vehicle operation stability index: critical speed, the derailment coefficient and reduction rate of wheel load, was done. Later, this model was combined with the multi-objective optimization software Isight, so as to complete the design
5、 of experiments through optimal Latin hypercube algorithm. The Kriging approximation model for vehicle lateral dynamics was established, with which the multi-objective optimization of the vehicle running stability index was completed using Scalar and Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm. Monte Ca
6、rlo simulation was used to analyze the robustness of three goals, and 6 Sigma robust optimization method was utilized to complete the robust design of the suspension parameters. The results show that, reasonable suspension parameter setting is beneficial to improving the running stability of the veh
7、icle. Keywords:railwayvehicle;suspensionparameters;stability;robustdesign; multi-objective optimization 目录目录 第 1 章绪论1 1.1论文选题背景及意义1 1.2国内外研究现状1 1.3铁道车辆运行稳定性及评价指标2 1.4本文所做的工作6 第 2 章铁道车辆悬挂系统简介8 2.1轴箱悬挂装置8 2.2中央悬挂装置8 2.3悬挂参数对系统动力学影响9 第 3 章高速动车技术特点和动力学仿真模型的建立11 3.1高速动车结构概述及其技术参数11 3.1.1高速动车转向架整体结构概述11 3
8、.1.2高速动车主要技术参数11 3.2车辆系统动力学理论模型12 3.3多体系统车辆动力学建模的原则与方法15 3.3.1多体系统车辆动力学建模的基本原则15 3.3.2多体系统车辆动力学建模的基本方法16 3.4基于 SIMPACK 的高速列车客车动力学建模 16 3.4.1建模基本假设16 3.4.2利用仿真软件 SIMPACK 建立客车动力学模型 16 3.4.3计算车辆横向稳定性动力学评价指标20 第 4 章基于 Isight 的车辆运行稳定性代理模型.24 4.1代理模型概述24 4.2变量的选择26 4.3基于 Isight 的车辆运行稳定性 Kriging 模型的建立27 4.
9、3.1模型集成27 4.3.2DOE 试验设计.29 4.3.3Kriging 近似模型的构建 34 第 5 章车辆悬挂参数多目标优化36 5.1多目标优化概述36 - IV - 5.2优化算法选择36 5.3建立优化数学模型38 5.4基于 Isight 的多目标优化.39 第 6 章车辆悬挂参数稳健性设计41 6.1稳健性质量设计概述41 6.2悬挂参数蒙特卡洛模拟41 6.2.1基本原理41 6.2.2算法介绍42 6.2.3基于 Isight 的蒙特卡洛模拟.44 6.3悬挂参数 6 Sigma 质量设计.45 6.3.1基本原理45 6.3.26 Sigma 分析48 6.3.36
10、Sigma 优化49 6.3.4基于 Isight 的 6 Sigma 稳健性分析. 50 6.3.5基于 Isight 的 6 Sigma 稳健性优化. 51 第 7 章总结与展望54 7.1主要工作总结54 7.2需要进一步研究的问题54 致谢55 参考文献56 附录57 中南大学本科生毕业论文(设计)第 1 章绪论 - 1 - 第 1 章绪论 1.1论文选题背景及意义 铁路作为国民经济的大动脉、国家重要基础设施和大众化交通工具,在中国 经济社会发展中具有重要作用。随着全国铁路的大面积提速,对列车的运行性能 也提出了更高的要求。轨道车辆面临着高速运行、降低能耗和缩减运营费用等迫 切要求。由
11、于车辆运行速度的不断提高,安全和舒适度一直是人们关心的问题。 这就对高速列车的车辆动力学特性设计提出了更加严格的要求, 有必要探明影响 列车运行安全的核心问题, 诸如如何调整车辆的动力学参数以确保列车良好的运 行性能。 具有弹簧悬挂装置的车辆是一个多自由度的振动系统,它在运行中会产生复 杂的振动现象,由于车辆自重、载重等引起的垂向载荷,风力、离心力等引起的 横向载荷以及由于牵引力、制动力等引起的纵向载荷会作用在车体和转向架上 1。除此之外,还有轮轨作用力等因线路的不平顺和车辆振动引起的动载荷。车 辆悬挂装置正是用来传导、缓和这些力的,它对于车辆的平稳、安全的运行非常 重要。悬挂装置中的如弹簧、
12、减振器的参数的设置将显著地影响到车辆的运行。 因此需要通过就车辆运行的条件对悬挂参数进行优化以及稳健设计。 客车的悬挂装置主要由轴箱悬挂装置和中央悬挂装置组成, 而货车一般只有 中央悬挂装置。其中轴箱悬挂主要有轴箱弹簧、垂向减振器以及定位装置组成。 其的主要作用是抑制车辆运行过程中的蛇形运动,保证车辆的安全与稳定性。 中 央悬挂装置则有摇枕弹簧装置、无摇枕空气弹簧装置等形式。其基本功能是使车 辆在运行中有良好的舒适性,进而提高其稳定性 1。 本文以 CRH2拖车为主要研究对象,结合动力学分析软件 SIMPACK 和优化工 具 Isight 对其悬挂系统参数进行稳健型设计和多目标优化,使列车的运
13、行稳定 性得到一定的提高。 1.2国内外研究现状 对于悬挂参数的研究一般首先要对车辆进行动力学建模, 然后通过考虑不同 的悬挂参数的选择下车辆运行性能,包括运行稳定性、运行平稳性等的响应来分 析悬挂系统的优劣。 池茂儒,张伟2等人从时域内分析一、二系悬挂参数对高速客车动力学性能 的影响以及二系悬挂参数对车体振动模态的影响,通过合理设置一、二系悬挂的 弹簧的刚度以及减振器的阻尼等参数提高了转向架的林及速度、 车体的横向平稳 中南大学本科生毕业论文(设计)第 1 章绪论 - 2 - 性以及垂向平稳性。 和皋, 陈清利用多提动力学软件建立 250km/h 高速机车动力 学模型,通过计算分析机车的横向
14、稳定性,得出合理的悬挂参数,分析研究了不 同悬挂参数对改善机车横向动力学的影响3。员华,罗世辉通过对地铁车辆进行 动力学建模分析,说明悬挂系统参数的选取对车辆垂向动力学的影响,并采取更 优的一系弹簧以及牵引杆,是列车在垂向平稳性得以改善4。钟睦,曹炜洲等人 采用多提系统动力学分析软件 SIMPACK 建立铁道车辆动力学模型, 采用优化软 件 Isight,实现与 SIMPACK 的数据传递和过程集成,运用多岛遗传算法和序列 二次规划算法相结合的优化策略,对铁道车辆悬挂参数进行优化设计,提高铁道 车辆的临界速度,改善其横向稳定性5。Niahn-Chung Shieh,Chun-Liang Lin
15、 等 人使用新型多目标约束进化算法对轻轨车辆的垂向悬挂进行了设计, 建立了三节 车厢为一组的多体动力学模型,优化设计了悬挂弹簧和阻尼的参数6。近年来, 更发展了以主动、半主控制为基础的悬挂系统设计。廖英英通过建立天棚阻尼控 制、 加速度阻尼控制、 RS 控制和天棚-加速度混合控制的连续型半主动控制策略, 分别采用1/4车模型和整车模型对高速运行状况下的几种半主动控制策略进行了 仿真分析,得到不同系统状态相适应的悬挂策略7。 国外的研究发展较快,进来已逐渐将研究从被动悬挂向半主动、主动悬挂偏 移。 E.Foo通过对轻轨车辆应用天鹏阻尼器来减少由于车体过轻带来的柔性影响, 以及控制执行器的动态作用
16、8。Ronghui Zhou,Argyrios Zolotas,Roger Goodall 对高速摆式列车提出了一种主动悬架控制策略, 用以衰减车体的横向振动并补充 其在通过曲线时的倾斜不足,同时考虑车体倾斜和横向振动之间的相互作用, 提 高了车辆倾斜控制性能以及在直线、曲线轨道上的运行性能9。 由于国内车辆大多配置有被动悬挂系统, 因此本文主要着眼于被动悬挂系统 的参数优化和设计。 1.3铁道车辆运行稳定性及评价指标 当列车高速运行时,线路各种确定性不平顺、非确定性不平顺和动力不平顺 等,都会加剧轮轨间的动力相互作用,影响行车的平稳性、舒适性和安全性。 尤 其是当车辆的激振频率与桥梁的固有频
17、率相同或相近时,还将引发车桥共振, 严 重影响行车安全。因此,高速铁路动态安全性和行车舒适性的评价标准将直接影 响线路结构设计的安全性, 本文所重点研究的是对车辆系统稳定性相关的动力性 能,主要指标介绍如下10。 列车运行的安全性是铁路运输最基本的要求, 既有线提速以及高速铁路修建 使得这个问题更加突出,世界各国铁路工作者对此均非常重视,对行车安全性评 价指标及限度进行了大量的研究,取得了丰硕的成果并已应用于实践。 中南大学本科生毕业论文(设计)第 1 章绪论 - 3 - 稳定性的含义包含静态平衡稳定性和动态稳定型两大类。 在车辆工程中所讨 论的车体在弹簧上的抗倾覆稳定性、车辆抗倾覆稳定性以及
18、轮对抗脱轨稳定性 等,一般是从静力平衡条件来确定,因此属于静态稳定的范畴。动态稳定性通常 称为运动稳定性,则必须从运动方程或其解的特征来判断。 车辆运行稳定性与安全性主要涉及车辆蛇形运动临界速度及其是否会出现 脱轨及倾覆问题。蛇形运动是指车辆沿直线轨道运行时,具有一定形状踏面的铁 道车辆轮对,沿着平直的钢轨滚动时,会产生一种振幅有增大趋势的特有的运 动轮对一面横向移动、 一面又绕通过其质心的铅垂轴转动的这两种运动的耦 合。 车辆脱轨根据过程不同大体可分为爬轨脱轨、 跳轨脱轨、 掉轨脱轨等。 其中, 爬轨脱轨是随着车轮的转动,车轮轮缘逐渐爬上轨头引起的脱轨,它是车辆运行 中较为常见的脱轨形式,也
19、是各国学者研究的重点,一般以临界速度脱轨系数、 轮重减载率、倾覆系数等指标来评定车辆运行的稳定性与安全性。本论文主要采 用临界速度、脱轨系数和轮重减载率三项指标。 1、蛇形运动临界速度 如前所述,车辆蛇形运动是轮对横向移动和绕铅垂轴转动的耦合运动。由于 轮对的蛇形运动引起的转向架和车体在横向平面内的振动,称为转向架蛇行(又 称为二次蛇形)和车体蛇形(又成为一次蛇形) 。车辆系统产生蛇形运动,主要 是由于车轮踏面具有斜度和轮轨间存在着复杂的动力作用而引起的。 在理想的平直轨道上运行的机车车辆,在各悬挂参数匹配得当等特定条件 下,在一定速度范围内运行,此时车体、转向架、构架和轮对的蛇形运动各振型
20、的振幅,会随着时间不断减小,这种运动成为稳定的蛇形运动。而当车辆的运行 速度超过某一临界速度值时,车辆将产生一种不稳定的蛇形运动,其表现为他们 的振幅随着时间不断扩大,式轮对左右摇摆直至轮缘碰撞钢轨、转向架或车体则 出现大幅度的剧烈运动,这种现象称为失稳,此时的运动为不稳定运动10。蛇形 运动有稳定运动, 过渡到不稳定运动时的速度称为临界速度。 从某种程度上来说, 车辆蛇形运动的振型中, 只要有一个振型的幅值在某速度下既不扩大也不衰减呈 等幅稳态振动,而其他振型均呈衰减振动,那么此时的速度就成为车辆蛇形运动 的临界速度 cr 。所以,在建立车辆系统运动方程的基础上,通过求解不同速度 下方程的特
21、征根和振型,就可根据振型的振幅的变化来判断车辆的临界速度。 常 用的计算车辆线性临界速度方法有特征根法、阻尼系数法等。结合 SIMPACK 软 件也可以计算车辆非线性临界速度。 2、脱轨系数 车辆运行时, 在车辆结构参数、 运用条件和线路状态等因素最不利的组合下, 可能导致车轮脱轨。在测量或计算到的轮轨力中,选用横向力与垂向力同时发生 中南大学本科生毕业论文(设计)第 1 章绪论 - 4 - 的数值,来计算两者的比值,并将其作为脱轨系数。一般来说,脱轨系数可以分 为以下两类: (1) 不考虑作用时间的脱轨系数 这种脱轨系数是将测量或计算得到的轮轨垂向力的瞬时值作为轮重值而使 用的脱轨系数。 假
22、设车轮与钢轨接触点位于轮对中心线的垂直平面内(无轮对冲角) ,则有 如图 1-1 所示的车轮处于脱轨临界状态时的钢轨受力关系, 接触斑处车轮受力情 况如图 1-2 所示,各作用力分别向轮轨接触点 A 的切线方向和发现方向投影(图 1-3)可得 N N P Q 图 1-1 脱轨临界状态时钢轨受力图 1-2 轮轨接触斑受力 PN Q A N 图 1-3 接触斑作用力分解关系 cossin sincos QPT QPN (1-1) 式中: Q车轮作用于钢轨上的横向力; P车轮作用于钢轨上的垂向力; N钢轨对车轮的法向反力; T钢轨对车轮的切向反力; 中南大学本科生毕业论文(设计)第 1 章绪论 -
23、5 - 车轮轮缘角。 由式(1-1) ,可得 tan)/(1 )/(tan NT NT P Q (1-2) 通过上式可获得 Q/P 值,在切向力 T 达到摩擦力 N大小时,必须取最小值。 也 就是在该极限状态下,T= N。由此可得脱轨系数的临界值为 tan 1tan Q P (1-3) 我国制定的脱轨系数标准见表 1-1。表中的第一限度为合格标准,第二限度 为增大了安全裕度的标准。 表 1- 1 我国脱轨系数安全限定值 指标GB55991985TB/T23601993 95J01L(M) 脱轨系数 第一限度第二限度良 好合 格 1.21.00.80.90.8 (2) 考虑作用时间的脱轨系数(跳
24、轨安全系数) 在日本 J 标准中,还考虑了轮轨间发生冲击时车轮的脱轨安全性问题。当横 向冲击力的作用时间 t 大于 0.05s 时,以 0.8 作为脱轨系数标准值,若作用时间 t 小于 0.05s,将 Q/P=0.04/t 使所得的值作为标准值。 与不考虑作用时间的脱轨系数定义相比, 采用跳轨安全系数定义来获得冲击 性的、 急剧变化轮轨横向和垂向力所对应的脱轨系数, 具有误差相对较小的有点。 当横向力和垂向力变化平缓时,跳轨系数和脱轨安全系数的值是一致的。 3、轮重减载率 轮重减载率为评定车辆在轮对横向力为零或接近于零的条件下, 因一侧的车 轮严重减载而脱轨的安全性指标, 与脱轨系数并用来对机
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