基于弹性车体的车载设备减振研究

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地铁是现在各大城市必不可少的交通工具。目前,地铁车辆朝着快速化和轻量化的方向发展,这对车辆的运行平稳性和乘坐舒适性提出了更高的要求。运行速度的提升以及车体轻量化带来的刚度不足都会加剧车体与车载设备之间的耦合振动,影响地铁车辆的运行品质。同时,变压器、空调等有源设备在工作时会产生自身激励,同样会加剧车体的振动。本文以对车体振动影响较大的空调和变压器为研究对象,对地铁车辆进行车体的振动控制研究。首先,以某型地铁车辆中间车为模板,利用动力学软件UM、有限元软件ANSYS建立包含车载设备的地铁车辆刚柔耦合动力学模型和多刚体动力学模型,并分析两种动力学模型在直线和曲线工况下的动力学响应的差异。结果表明,多刚体模型和刚柔耦合模型的动力学响应在曲线工况下差异较小,而在直线工况下,两种动力学模型的垂向平稳性和舒适性值相差较大。然后,利用最优拉丁超立方试验设计方法选取变压器和空调的悬挂参数样本点,通过UM-Isight联合仿真平台计算各组样本点的车体的振动特性响应值。根据样本点及对应的车体的振动特性响应值构建符合精度要求的响应面(RMS)近似模型。完成近似模型后通过多目标优化算法NSGA-Ⅱ对近似模型进行寻优计算,得到最优的车载设备悬挂参数和悬吊位置组合。近似模型寻优共计算8001次,所得的最优的参数组合动力学响应较原始参数组合优化情况如下:车体前端振动加速度均方根值降低17.75%(横向)、14.69%(垂向),平稳性指标降低8.16%(横向)、4.19%(垂向);车体中部振动加速度均方根值降低23.25%(横向)、3.27%(垂向),平稳性指标降低11.37%(横向)、0.29%(垂向);车体后端振动加速度均方根值降低15.35%(横向)、5.84%(垂向),平稳性指标降低6.96%(横向)、1.87%(垂向)。最后,根据最优悬挂参数,设计相应的车载设备隔振装置的结构,并以空调为例,设计了安装隔振装置的悬挂支架初始结构,在此基础上以疲劳寿命为约束,利用Optistruct软件,通过变密度法对悬挂支架进行拓扑优化。经过分析,优化后在纵向最大载荷下,支架的最大位移为7.118×10-4mm,最大应力为0.8365 Mpa;在横向最大载荷下,支架的最大位移为3.892×10-4mm,最大应力为0.5673 Mpa;在垂向最大载荷下,支架的最大位移为5.442×10-5mm,最大应力为2.41 Mpa;在动态载荷下,支架的最小疲劳寿命为应力循环5×1019次已经远远大于107次的无限寿命底线,符合设计要求。
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