CN105138785A

CN105138785A - 高铁座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化方法

Info

Publication number: CN105138785A
Application number: CN201510560178.6A
Authority: CN
Inventors: 周长城; 于曰伟
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2015-09-06
Filing date: 2015-09-06
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2035-09-06
Also published as: CN105138785B

Abstract

本发明涉及高铁座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化方法，属于高速轨道车辆悬置技术领域。本发明通过构建座椅和一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型，以轨道高低不平顺随机输入为输入激励，以座椅垂向振动加速度均方根值最小为设计目标，优化设计得到高铁座椅悬置和一系及二系垂向悬置的最优阻尼比。通过设计实例及SIMPACK仿真验证可知，该方法可得到准确可靠的高铁座椅悬置和一系及二系垂向悬置系统的最优阻尼比值，为高铁座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比的设计提供了可靠的设计方法。利用该方法，不仅可提高高铁悬置系统的设计水平和车辆乘坐舒适性，还可缩短产品设计周期，增强我国轨道车辆的国际市场竞争力。

Description

高铁座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化方法

技术领域

本发明涉及高速轨道车辆悬置，特别是高铁座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化方法。

背景技术

座椅和一系及二系垂向悬置系统的阻尼比对高铁的乘坐舒适性具有重要的影响，其设计或选取，是设计座椅减振器和一系垂向减振器、二系垂向减振器阀系参数所依据的重要参数。然而，据所查阅资料可知，由于高铁属于多自由度振动系统，对其进行动力学分析计算非常困难，目前国内外对于高铁座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比的设计，一直没有给出系统的理论设计方法，大都是对座椅悬置、一系垂向悬架和二系垂向悬置系统分别单独进行研究，并借助计算机技术，利用多体动力学仿真软件SIMPACK或ADAMS/Rail，分别通过实体建模来优化和确定其大小，尽管该方法可以得到比较可靠的仿真数值，使车辆具有较好的动力性能，然而，由于座椅和一系及二系垂向悬置是一个相互耦合的复杂系统，目前这种分别单独建模对其悬置阻尼比进行设计的方法，难以使高铁座椅及一系、二系垂向悬置系统的阻尼比达到最佳匹配，且随着高铁行驶速度的不断提高，人们对座椅及一系、二系垂向悬置阻尼比的设计提出了更高的要求，目前高铁座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比设计的方法不能给出具有指导意义的创新理论，不能满足轨道车辆不断提速情况下对减振器设计要求的发展。因此，必须建立一种准确、可靠的高铁座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化方法，满足轨道车辆不断提速情况下对减振器设计的要求，提高高铁悬置系统的设计水平及产品质量，提高车辆乘坐舒适性；同时，降低产品设计及试验费用，缩短产品设计周期，增强我国轨道车辆的国际市场竞争力。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种准确、可靠的高铁座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化方法，其设计流程图如图1所示；1/4车体-座椅行驶垂向振动模型图如图2所示。

为解决上述技术问题，本发明所提供的高铁座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化方法，其特征在于采用以下设计步骤：

(1)建立座椅和一系及二系垂向悬置系统的垂向振动微分方程：

根据高铁的1/4单节车体的空载质量m₂，单个转向架构架质量的一半m₁，1/4单节车厢乘坐人员质量之和m₃；一系悬架的垂向等效刚度K₁；一系垂向减振器的端部连接等效刚度K_d1；二系悬置的垂向刚度K₂；二系垂向减振器的端部连接刚度K_d2；座椅悬置的垂向等效刚度K₃；待设计一系垂向悬架的阻尼比ξ₁，其中，一系垂向减振器的等效阻尼系数待设计二系垂向悬置的阻尼比ξ₂，其中，二系垂向减振器的等效阻尼系数待设计座椅悬置的阻尼比ξ₃，其中，座椅悬置减振器的等效阻尼系数以一系垂向减振器活塞杆的垂向位移z_d1，转向架构架质心的垂向位移z₁，二系垂向减振器活塞杆的垂向位移z_d2，车体质心的垂向位移z₂及座椅面的垂向位移z₃为坐标；以轨道高低不平顺随机输入z_v为输入激励；建立座椅和一系及二系垂向悬置系统的垂向振动微分方程，即：

\{\begin{matrix} m_{3} {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{3} + K_{3} (z_{3} - z_{2}) + C_{3} ({\overset{\cdot}{z}}_{3} - {\overset{\cdot}{z}}_{2}) = 0 \\ m_{2} {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} + K_{2} (z_{2} - z_{1}) + K_{d 2} (z_{2} - z_{d 2}) + K_{3} (z_{2} - z_{3}) + C_{3} ({\overset{\cdot}{z}}_{2} - {\overset{\cdot}{z}}_{3}) = 0 \\ C_{2} ({\overset{\cdot}{z}}_{d 2} - {\overset{\cdot}{z}}_{1}) - K_{d 2} (z_{2} - z_{d 2}) = 0 \\ m_{1} {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{1} + K_{1} (z_{1} - z_{v}) + K_{d 1} (z_{1} - z_{d 1}) + K_{2} (z_{1} - z_{2}) + C_{2} ({\overset{\cdot}{z}}_{1} - {\overset{\cdot}{z}}_{d 2}) = 0 \\ C_{1} ({\overset{\cdot}{z}}_{d 1} - {\overset{\cdot}{z}}_{v}) - K_{d 1} (z_{1} - z_{d 1}) = 0 \end{matrix};

其中，

C_{1} = 2 ξ_{1} \sqrt{K_{1} m_{1}}, C_{2} = 2 ξ_{2} \sqrt{K_{2} m_{2}}, C_{3} = 2 ξ_{3} \sqrt{K_{3} m_{3}};

(2)构建座椅和一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型：

根据步骤(1)中所建立的座椅和一系及二系垂向悬置系统的垂向振动微分方程，利用Matlab/Simulink仿真软件，构建座椅和一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型；

(3)建立座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化目标函数J：

根据步骤(2)中所建立的座椅和一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型，以一系垂向悬架阻尼比、二系垂向悬置阻尼比和座椅悬置阻尼比为设计变量，以轨道高低不平顺随机输入为输入激励，利用仿真所得到的座椅垂向运动的振动加速度均方根值建立座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化目标函数J，即：

J = σ_{{\overset{\cdot\cdot}{z}}_{3}};

(4)座椅悬置最优阻尼比ξ_os及一系、二系垂向悬置最优阻尼比ξ_ob、ξ_oc的优化设计：

根据步骤(2)中所建立的座椅和一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型，以轨道高低不平顺随机输入z_v为输入激励，利用优化算法求步骤(3)中所建立座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化目标函数J的最小值，所对应的设计变量即为座椅悬置系统的最优阻尼比ξ_os，一系垂向悬架系统的最优阻尼比ξ_ob和二系垂向悬置系统的最优阻尼比ξ_oc。

本发明比现有技术具有的优点：

由于高铁属于多自由度振动系统，对其进行动力学分析计算非常困难，目前国内外对于高铁座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比的设计，一直没有给出系统的理论设计方法，大都是对座椅悬置、一系垂向悬架和二系垂向悬置系统分别单独进行研究，并借助计算机技术，利用多体动力学仿真软件SIMPACK或ADAMS/Rail，分别通过实体建模来优化和确定其大小，尽管该方法可以得到比较可靠的仿真数值，使车辆具有较好的动力性能，然而，由于座椅和一系及二系垂向悬置是一个相互耦合的复杂系统，目前这种分别单独建模对其悬置阻尼比进行设计的方法，难以使高铁座椅及一系、二系垂向悬置系统的阻尼比达到最佳匹配，且随着高铁行驶速度的不断提高，人们对座椅及一系、二系垂向悬置阻尼比的设计提出了更高的要求，目前高铁座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比设计的方法不能给出具有指导意义的创新理论，不能满足轨道车辆不断提速情况下对减振器设计要求的发展。

本发明通过建立座椅和一系及二系垂向悬置系统的垂向振动微分方程，利用MATLAB/Simulink仿真软件，构建了座椅和一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型，并以轨道高低不平顺随机输入为输入激励，以座椅垂向运动的振动加速度均方根值最小为设计目标，优化设计得到高铁座椅悬置和一系及二系垂向悬置的最优阻尼比。通过设计实例及SIMPACK仿真验证可知，该方法可得到准确可靠的高铁座椅悬置和一系及二系垂向悬置系统的最优阻尼比值，为高铁座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比的设计提供了可靠的设计方法。利用该方法，不仅可提高高铁悬置系统的设计水平及产品质量，提高车辆乘坐舒适性；同时，还可降低产品设计及试验费用，缩短产品设计周期，增强我国轨道车辆的国际市场竞争力。

附图说明

为了更好地理解本发明下面结合附图做进一步的说明。

图1是高铁座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比协同优化方法的设计流程图；

图2是1/4车体-座椅行驶垂向振动模型图；

图3是实施例的座椅和一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型；

图4是实施例所施加的德国轨道高低不平顺随机输入激励z_v。

具体实施方案

下面通过一实施例对本发明作进一步详细说明。

某高铁1/4单节车体的空载质量m₂＝14398kg，单个转向架构架质量的一半m₁＝1379kg，1/4单节车厢乘坐人员质量之和m₃＝1593.8kg；一系悬架的垂向等效刚度K₁＝2.74×10⁶N/m；一系垂向减振器的端部连接等效刚度K_d1＝40×10⁶N/m；二系悬置的垂向刚度K₂＝568.4kN/m；二系垂向减振器的端部连接刚度K_d2＝20×10⁶N/m；座椅悬置的垂向等效刚度K₃＝566.27kN/m；待设计一系垂向悬架的阻尼比为ξ₁，其中，一系垂向减振器的等效阻尼系数待设计二系垂向悬置的阻尼比为ξ₂，其中，二系垂向减振器的等效阻尼系数待设计座椅悬置的阻尼比为ξ₃，其中，座椅悬置减振器的等效阻尼系数该高铁座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比设计所要求的车辆行驶速度v＝300km/h，对该高铁座椅和一系及二系垂向悬置的最优阻尼比进行设计。

本发明实例所提供的高铁座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化方法，其设计流程图如图1所示，1/4车体-座椅行驶垂向振动模型图如图2所示，具体步骤如下：

根据高铁的1/4单节车体的空载质量m₂＝14398kg，单个转向架构架质量的一半m₁＝1379kg，1/4单节车厢乘坐人员质量之和m₃＝1593.8kg；一系悬架的垂向等效刚度K₁＝2.74×10⁶N/m；一系垂向减振器的端部连接等效刚度K_d1＝40×10⁶N/m；二系悬置的垂向刚度K₂＝568.4kN/m；二系垂向减振器的端部连接刚度K_d2＝20×10⁶N/m；座椅悬置的垂向等效刚度K₃＝566.27kN/m；待设计一系垂向悬架的阻尼比ξ₁，其中，一系垂向减振器的等效阻尼系数待设计二系垂向悬置的阻尼比ξ₂，其中，二系垂向减振器的等效阻尼系数待设计座椅悬置的阻尼比ξ₃，其中，座椅悬置减振器的等效阻尼系数以一系垂向减振器活塞杆的垂向位移z_d1，转向架构架质心的垂向位移z₁，二系垂向减振器活塞杆的垂向位移z_d2，车体质心的垂向位移z₂及座椅面的垂向位移z₃为坐标；以轨道高低不平顺随机输入z_v为输入激励；建立座椅和一系及二系垂向悬置系统的垂向振动微分方程，即：

\{\begin{matrix} m_{3} {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{3} + K_{3} (z_{3} - z_{2}) + C_{3} ({\overset{\cdot}{z}}_{3} - {\overset{\cdot}{z}}_{2}) = 0 \\ m_{2} {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} + K_{2} (z_{2} - z_{1}) + K_{d 2} (z_{2} - z_{d 2}) + K_{3} (z_{2} - z_{3}) + C_{3} ({\overset{\cdot}{z}}_{2} - {\overset{\cdot}{z}}_{3}) = 0 \\ C_{2} ({\overset{\cdot}{z}}_{d 2} - {\overset{\cdot}{z}}_{1}) - K_{d 2} (z_{2} - z_{d 2}) = 0 \\ m_{1} {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{1} + K_{1} (z_{1} - z_{v}) + K_{d 1} (z_{1} - z_{d 1}) + K_{2} (z_{1} - z_{2}) + C_{2} ({\overset{\cdot}{z}}_{1} - {\overset{\cdot}{z}}_{d 2}) = 0 \\ C_{1} ({\overset{\cdot}{z}}_{d 1} - {\overset{\cdot}{z}}_{v}) - K_{d 1} (z_{1} - z_{d 1}) = 0 \end{matrix};

其中，

C_{1} = 2 ξ_{1} \sqrt{K_{1} m_{1}}, C_{2} = 2 ξ_{2} \sqrt{K_{2} m_{2}}, C_{3} = 2 ξ_{3} \sqrt{K_{3} m_{3}};

根据步骤(1)中所建立的座椅和一系及二系垂向悬置系统的垂向振动微分方程，利用Matlab/Simulink仿真软件，构建座椅和一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型，如图3所示；

J = σ_{{\overset{\cdot\cdot}{z}}_{3}};

根据步骤(2)中所建立的座椅和一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型，以轨道高低不平顺随机输入z_v为输入激励，利用优化算法求步骤(3)中所建立座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化目标函数J的最小值，优化设计得到座椅悬置系统的最优阻尼比ξ_os＝0.4927，一系垂向悬架系统的最优阻尼比ξ_ob＝0.3085，二系垂向悬置系统的最优阻尼比ξ_oc＝0.2509；

其中，车辆行驶速度v＝300km/h时，所施加的德国轨道高低不平顺随机输入激励z_v，如图4所示。

根据实施例所提供的车辆参数，利用轨道车辆专用软件SIMPACK，通过实体建模仿真验证可得，该高铁座椅悬置系统的最优阻尼比ξ_os＝0.4910，一系垂向悬架系统的最优阻尼比ξ_ob＝0.3061，二系垂向悬置系统的最优阻尼比ξ_oc＝0.2512；可知，利用协同优化方法所得到的高铁座椅悬置系统的最优阻尼比ξ_os＝0.4927，一系垂向悬架系统的最优阻尼比ξ_ob＝0.3085，二系垂向悬置系统的最优阻尼比ξ_oc＝0.2509，与SIMPACK仿真验证所得到的座椅悬置系统的最优阻尼比ξ_os＝0.4910，一系垂向悬架系统的最优阻尼比ξ_ob＝0.3061，二系垂向悬置系统的最优阻尼比ξ_oc＝0.2512相吻合，两者偏差分别为0.0017、0.0024、0.0003，相对偏差分别为0.35％、0.78％、0.12％，表明所建立的高铁座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化方法是正确的。

Claims

1.高铁座椅和一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化方法，其具体设计步骤如下：

\{\begin{matrix} m_{3} {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{3} + K_{3} (z_{3} - z_{2}) + C_{3} ({\overset{\cdot}{z}}_{3} - {\overset{\cdot}{z}}_{2}) = 0 \\ m_{2} {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} + K_{2} (z_{2} - z_{1}) + K_{d 2} (z_{2} - z_{d 2}) + K_{3} (z_{2} - z_{3}) + C_{3} ({\overset{\cdot}{z}}_{2} - {\overset{\cdot}{z}}_{3}) = 0 \\ C_{2} ({\overset{\cdot}{z}}_{d 2} - {\overset{\cdot}{z}}_{1}) - K_{d 2} (z_{2} - z_{d 2}) = 0 \\ m_{1} {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{1} + K_{1} (z_{1} - z_{v}) + K_{d 1} (z_{1} - z_{d 1}) + K_{2} (z_{1} - z_{2}) + C_{2} ({\overset{\cdot}{z}}_{1} - {\overset{\cdot}{z}}_{d 2}) = 0 \\ C_{1} ({\overset{\cdot}{z}}_{d 1} - {\overset{\cdot}{z}}_{v}) - K_{d 1} (z_{1} - z_{d 1}) = 0 \end{matrix};

其中，

C_{1} = 2 ξ_{1} \sqrt{K_{1} m_{1}}, C_{2} = 2 ξ_{2} \sqrt{K_{2} m_{2}}, C_{3} = 2 ξ_{3} \sqrt{K_{3} m_{3}};

J = σ_{{\overset{\cdot\cdot}{z}}_{3}};