CN105824238A - 一种高速动车组车体弹性模态振动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速动车组车体弹性模态振动控制方法，包括以下步骤：S1，获取车体实体模型，获得弹性模态振动能量分布，确定车体振动控制的目标模态；S2，确定多个车下吊挂设备的安装位置，并确定车体振动控制的目标模态位于各车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量；S3，确定各车下吊挂设备的减振系统固有频率与阻尼比；S4，确定各车下吊挂设备的减振系统横向刚度、垂向刚度和阻尼系数。与现有技术相比，本发明无须改变原轻量化车体结构，即可实现对车体多阶弹性模态振动的控制，提升车辆运行平稳性，改善车辆乘坐舒适度，原理明确，实施方便，成本低，适用于高速动车组车体弹性模态振动的控制。

Description

一种高速动车组车体弹性模态振动控制方法

技术领域

本发明涉及一种弹性模态振动控制方法，尤其是涉及一种高速动车组车体弹性模态振动控制方法。

背景技术

铁道车辆振动控制，一直是研究学者和设计人员关注的热点问题。铁道车辆车体振动可以分为两类即：刚性振动与弹性振动。影响车体振动的刚性振动是车体浮沉振动、车体点头振动、车体摇头振动和车体侧滚振动，这些振动的频率主要集中在2Hz以下。影响车体振动的弹性振动主要是通常集中在8Hz～15Hz之间的车体低阶弯曲弹性模态振动，如车体菱形变形模态振动、车体垂向一阶弯曲振动、车体横向一阶弯曲振动及车体一阶扭转模态振动等。而人体对垂向振动最敏感的频率范围是4Hz～10Hz，接近于车体低阶弹性模态振动频域，因此，为了保证铁道车辆具备良好的乘坐舒适性，降低车体的弹性振动十分重要。到目前为止，对铁道车辆车体振动控制主要采用主动悬挂或半主动悬挂控制方法，但这些控制方法较为复杂、且成本高、维护难。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能实现对车体多阶弹性模态振动控制、提高车辆运行平稳性、改善车辆乘坐舒适度的高速动车组车体弹性模态振动控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高速动车组车体弹性模态振动控制方法，用于对高速动车组车体的振动进行控制，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1，获取车体实体模型，进行车体振动分析，获得弹性模态振动能量分布，确定车体振动控制的目标模态；所确定的车体振动控制的目标模态可以是某一阶模态，也可以是某几阶模态。

S2，根据目标模态，确定多个车下吊挂设备的安装位置，并确定车体振动控制的目标模态位于各车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量；

S3，根据等价模态质量，确定各车下吊挂设备的减振系统固有频率与阻尼比；

S4，根据各车下吊挂设备的减振系统固有频率与阻尼比，确定各车下吊挂设备的减振系统横向刚度、垂向刚度和阻尼系数；

S5，将各车下吊挂设备与车体连接，实现对车体的振动控制。

所述的步骤S1包括以下步骤：

S1.1，获取车体实体模型，对实体模型进行有限元模态分析，确定车体弹性模态模态频率，有限元模型为整备状态且无车下吊挂设备；

S1.2，建立包含车体弹性模态和多个车体吊挂设备的车体刚柔耦合动力学模型并进行动力学分析，采集车体振动加速度频谱特性数据，并分析车体振动中弹性模态振动能量分布，确定车体振动控制的目标模态。

所述的步骤S1.2中，所述的车体振动加速度频谱特性数据通过车辆以特定速度运行时的仿真计算得到，特定速度指车辆实际最高运营速度或在固定区段所期望的运营速度。

所述的步骤S1.2中，数据采集、能量分布分析及目标模态确定具体为：令车辆以实际最高运营速度或在固定区段所期望的运营速度运行，采集车体中心位置及转向架上方车体距地板中心左侧1m位置处的垂向振动加速度频谱特性数据，将频率作为横坐标，各频率点采集的振动加速度幅值作为纵坐标，将最大振动加速度幅值所对应横坐标处的频率值作为车体弹性模态族中垂向振动主频率，将与垂向振动主频率对应的模态作为车体振动控制的垂向目标模态；同理，采集车体中心位置及转向架上方车体距地板中心左侧1m位置处的横向振动加速度频谱特性数据，确定车体弹性模态族中横向振动主频率及横向目标模态。

所述的步骤S2包括以下步骤：

S2.1，根据车体振动控制的目标模态的振型，均匀分配车体各轮轴载重，确定各车下吊挂设备安装位置，具体为：依据步骤S1.2确定的车体振动控制目标模态振型情况，结合车辆底架下方实际的空间情况，初步选择车下吊挂设备的安装位置，这些位置应尽量接近目标模态振型变形的最大位置；为了保证车辆具有良好的运行稳定性及安全性，应保证车辆轮轴载重均匀分布，依据此条件，结合各车下吊挂设备实际质量及初步选择的安装位置，对各车下吊挂设备安装位置进行合理排列，确定车下吊挂设备安装的最优位置方案，尽量将质量大的吊挂设备布置在车体中部附近以保证对车体某些具有对称形式的弹性模态振动控制效果；

S2.2，对加入车下吊挂设备的车体建立有限元模型，利用模态分析与质量感应法，确定车体振动控制的目标模态在各车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量。

所述的步骤S2.2包括以下步骤：

S2.2.1，在车体有限元模型中第j个车下吊挂设备安装位置处，建立集中质量单元，集中质量单元与车体采用刚性连接，对集中质量单元的质量取多个不同值，例如1吨、2吨、3吨、4吨、5吨，分别利用模态分析，确定相应的第i阶车体振动控制的目标模态频率值；

S2.2.2，利用式(1)，即质量感应法，确定第i阶车体振动控制目标模态在第j个吊挂设备安装位置处的等价模态质量M_ji；

$M_{ji}={\mathrm{\Δm}}_{ji}\frac{f_{ji}^2}{F_i^2-f_{ji}^2}---\left(1\right)$

其中：Δm_ji是在第j个吊挂设备安装位置处附加的集中单元质量，F_i是车体第i个振动控制目标模态频率，f_ji是在第j个吊挂设备安装位置处附加质量Δm_ji后第i阶车体振动控制目标模态频率；

S2.2.3，把附加的集中单元质量大小作为横轴，对应的等价模态质量作为纵轴，二者关系绘图表示，利用最小二乘曲线拟合法，获得附加质量为0时的等价模态质量，作为去除误差后的车体振动控制的目标模态在车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量；

S2.2.4，返回步骤S2.2.1，直到车体振动控制的各阶目标模态在全部车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量确定完毕。

所述的步骤S3包括以下步骤：

S3.1，根据步骤S2得到的等价模态质量，分别利用车体垂向振动与横向振动加速度响应的动力吸振最优法，确定各车下吊挂设备的横向减振系统固有频率与垂向减振系统固有频率；

S3.2，利用基于车体振动加速度响应的最优阻尼，依据步骤S2得到的等价模态质量，确定各车下吊挂设备的减振系统阻尼比。

所述的步骤S3.1包括以下步骤：

S3.1.1，利用式(2)，即车体垂向振动加速度响应的动力吸振最优法，确定各车下吊挂设备的减振系统垂向固有频率；

$f_{jv}=\frac{F_{iv}}{\sqrt{1+\frac{m_j}{M_{ji}}}}---\left(2\right)$

其中：f_jv是第j个车下吊挂设备的减振系统垂向固有频率，m_j是第j个车下吊挂设备的质量；F_iv是车体振动控制的第i阶车体垂向目标模态频率；M_ji是第i阶车体振动控制目标模态在第j个车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量；

S3.1.2，利用式(3)，即车体横向振动加速度响应的动力吸振最优法，确定各车下吊挂设备的减振系统横向固有频率；

$f_{jL}=\frac{F_{iL}}{\sqrt{1+\frac{m_j}{M_{ji}}}}---\left(3\right)$

其中：f_jL是第j个车下吊挂设备的减振系统横向固有频率，F_iL是车体振动控制的第i阶车体横向目标模态频率。

所述的步骤S3.2中，各车下吊挂设备的减振系统阻尼比计算按照式(4)：

${\mathrm{\ζ}}_j=\sqrt{\frac{3\frac{m_j}{M_{ji}}}{4(1+\frac{m_j}{M_{ji}})(2+\frac{m_j}{M_{ji}})}}---\left(4\right)$

式中，ζ_j是第j个车下吊挂设备的减振系统阻尼比，M_ji是第i阶车体振动控制目标模态在第j个车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量。

所述的步骤S4包括以下步骤：

S4.1，依据步骤S3.1得到的各车下吊挂设备的横向与垂向减振系统固有频率，确定各车下吊挂设备的减振系统横向刚度与垂向刚度；

S4.2，依据步骤S3.2得到的减振系统阻尼比与步骤S4.1得到的减振系统横向与垂向刚度，确定各车下吊挂设备的减振系统阻尼系数。

所述的步骤S4.1包括以下步骤：

S4.1.1，确定车下吊挂设备的减振系统垂向刚度k_jv：

$k_{jv}=\frac{{\left(2{\mathrm{\πf}}_{jv}\right)}^2{m}_j}{n}---\left(5\right)$

其中，n为车下吊挂设备吊挂点数；

S4.1.2，确定车下吊挂设备的减振系统横向刚度k_jL：

$k_{jL}=\frac{{\left(2{\mathrm{\πf}}_{jL}\right)}^2{m}_j}{n}---\left(6\right).$

所述的步骤S4.2中，各车下吊挂设备的减振系统阻尼系数根据式(7)确定：

$c_j=2m_j\mathrm{\ζ}\sqrt{\frac{k_{jv}}{m_j}}---\left(7\right)$

其中，c_j为第j个车下吊挂设备的减振系统阻尼系数。

本方法对高速动车组车下吊挂设备减振系统固有频率与阻尼比实施优化设计，调整车下吊挂设备对车体的反作用力，实现对车体多阶弹性模态振动的控制，并提高车辆运行平稳性，改善车辆乘坐舒适度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)根据车体振动控制的目标模态来优化设计车下吊挂设备的减振系统及元件参数，无须改变原轻量化车体结构即可实现对车体多阶弹性模态振动的控制，有效提升车辆运行平稳性，改善车辆乘坐舒适度，且原理明确，实施方便，成本低，适用于高速动车组车体弹性模态振动的控制。

(2)可以实现对车体某一阶弹性模态振动的控制，也可以同时实现对车体多阶弹性模态振动的控制，振动控制效果显著，实效性高。

(3)车体振动加速度频谱特性数据通过车辆以最高运营速度或在固定区段中期望的运营速度运行时的仿真计算得到，依据此所进行的振动控制设计针对性突出。

(4)通过先确定车体振动控制的目标模态，然后加入车下吊挂设备，确定车体振动控制的目标模态位于车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量，采用最小二乘线性拟合消除零点误差，提高控制精度。

(5)本发明控制方法简单，易于工程实现。

附图说明

图1为本发明振动控制方法流程示意图；

图2为本发明动车组车体与车下吊挂设备结构简化图；

图3为本实施例中车体未施加振动控制时，车体中心位置垂向振动加速度频谱特性示意图；

图4为本实施例车体未施加振动控制时，车体中心位置横向振动加速度频谱特性示意图；

图5为本实施例确定车体垂向一阶弯曲模态在车体中部吊挂设备安装位置处的等价模态质量示意图；

图6为本实施例确定车体横向一阶弯曲模态在车体中部吊挂设备安装位置处的等价模态质量示意图；

图7为本实施例车体施加本发明振动控制前后，车体中心位置垂向振动加速度频谱特性对比图；

图8为本实施例车体施加本发明振动控制前后，车体中心位置横向振动加速度频谱特性对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，一种高速动车组车体弹性模态振动控制方法，用于对高速动车组车体的振动进行控制，该方法包括以下步骤：

S1，获取车体实体模型，进行车体振动分析，获得弹性模态振动能量分布，确定车体振动控制的目标模态；所确定的车体振动控制的目标模态可以是某一阶模态，也可以是某几阶模态。

本步骤S1具体包括以下步骤：

S1.1，获取车体实体模型，对实体模型进行有限元模态分析，确定车体弹性模态频率，有限元模型为整备状态且无车下吊挂设备；

S1.2，建立包含车体弹性模态和多个车体吊挂设备的车体刚柔耦合动力学模型并进行动力学分析，采集车体振动加速度频谱特性数据，并分析车体振动中弹性模态振动能量分布，确定车体振动控制的目标模态。具体为：令车辆以实际最高运营速度或在固定区段所期望的运营速度运行，采集车体中心位置及转向架上方车体距地板中心左侧1m位置处的垂向振动加速度频谱特性数据，将频率作为横坐标，各频率点采集的振动加速度幅值作为纵坐标，将最大振动加速度幅值所对应横坐标处的频率值作为车体弹性模态族中垂向振动主频率，将与垂向振动主频率对应的模态作为车体振动控制的垂向目标模态；同理，采集车体中心位置及转向架上方车体距地板中心左侧1m位置处的横向振动加速度频谱特性数据，确定车体弹性模态族中横向振动主频率及横向目标模态。

步骤S1.2中，车体振动加速度频谱特性数据通过车辆以实际最高运营速度或在固定区段所期望的运营速度运行时的仿真计算得到。

S2，根据目标模态，确定多个车下吊挂设备的安装位置，并确定车体振动控制的目标模态位于各车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量；

步骤S2包括以下步骤：

S2.1，根据车体振动控制的目标模态振型，均匀分配车体各轮轴载重，确定各车下吊挂设备安装位置，具体为：依据步骤S1.2确定的车体振动控制目标模态振型情况，结合车辆底架下方实际的空间情况，初步选择车下吊挂设备的安装位置，这些位置应尽量接近目标模态振型变形的最大位置；为了保证车辆具有良好的运行稳定性及安全性，应保证车辆轮轴载重均匀分布，依据此条件，结合各车下吊挂设备实际质量及初步选择的安装位置，对各车下吊挂设备安装位置进行合理排列，确定车下吊挂设备安装的最优位置方案，尽量将质量大的车下吊挂设备布置在车体中部附近以保证对车体某些具有对称形式的弹性模态振动控制效果；

S2.2，对加入车下吊挂设备的车体建立有限元模型，利用模态分析与质量感应法，确定车体振动控制的目标模态在各车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量。

其中步骤S2.2包括以下步骤：

S2.2.1，在车体有限元模型中第j个车下吊挂设备安装位置处，建立集中质量单元，集中质量单元与车体采用刚性连接，对集中质量单元的质量取多个不同值，例如1吨、2吨、3吨、4吨、5吨，分别利用模态分析，确定相应的第i阶车体振动控制的目标模态频率值；

S2.2.2，利用式(1)，即质量感应法，确定第i阶车体振动控制目标模态在第j个车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量M_ji；

$M_{ji}={\mathrm{\Δm}}_{ji}\frac{f_{ji}^2}{F_i^2-f_{ji}^2}---\left(1\right)$

其中：Δm_ji是在第j个车下吊挂设备安装位置处附加的集中单元质量，F_i是车体第i个振动控制目标模态频率，f_ji是在第j个车下吊挂设备安装位置处附加质量Δm_ji后第i阶车体振动控制目标模态频率；

S2.2.3，把附加的集中单元质量大小作为横轴，对应的等价模态质量作为纵轴，二者关系绘图表示，利用最小二乘曲线拟合法，获得附加质量为0时的等价模态质量，作为去除误差后的车体振动控制的目标模态在车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量；

S2.2.4，返回步骤S2.2.1，直到车体振动控制的各阶目标模态在全部车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量确定完毕。

S3，根据等价模态质量，确定各车下吊挂设备的减振系统固有频率与阻尼比；

步骤S3包括以下步骤：

S3.1，根据步骤S2得到的等价模态质量，分别利用车体垂向振动与横向振动加速度响应的动力吸振最优法，确定各车下吊挂设备的横向减振系统固有频率与垂向减振系统固有频率；

其中，步骤S3.1包括以下步骤：

S3.1.1，利用式(2)，即车体垂向振动加速度响应的动力吸振最优法，确定各车下吊挂设备的减振系统垂向固有频率；

$f_{jv}=\frac{F_{iv}}{\sqrt{1+\frac{m_j}{M_{ji}}}}---\left(2\right)$

其中：f_jv是第j个车下吊挂设备的减振系统垂向固有频率，m_j是第j个车下吊挂设备的质量；F_iv是车体振动控制的第i阶车体垂向目标模态频率；M_ji是第i阶车体振动控制目标模态在第j个车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量；

S3.1.2，利用式(3)，即车体横向振动加速度响应的动力吸振最优法，确定各车下吊挂设备的减振系统横向固有频率；

$f_{jL}=\frac{F_{iL}}{\sqrt{1+\frac{m_j}{M_{ji}}}}---\left(3\right)$

其中：f_jL是第j个车下吊挂设备的减振系统横向固有频率，F_iL是车体振动控制的第i阶车体横向目标模态频率。

S3.2，利用基于车体振动加速度响应的最优阻尼，依据步骤S2得到的等价模态质量，确定各车下吊挂设备的减振系统阻尼比，各车下吊挂设备的减振系统阻尼比计算按照式(4)：

${\mathrm{\ζ}}_j=\sqrt{\frac{3\frac{m_j}{M_{ji}}}{4(1+\frac{m_j}{M_{ji}})(2+\frac{m_j}{M_{ji}})}}---\left(4\right)$

式中，ζ_j是第j个车下吊挂设备的减振系统阻尼比，m_j是第j个车下吊挂设备的质量，M_ji是第i阶车体振动控制目标模态在第j个车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量。

S4，根据各车下吊挂设备的减振系统固有频率与阻尼比，确定各车下吊挂设备的减振系统横向刚度、垂向刚度和阻尼系数。

步骤S4包括以下步骤：

S4.1，依据步骤S3.1得到的各车下吊挂设备的横向与垂向减振系统固有频率，确定各车下吊挂设备的减振系统横向刚度与垂向刚度；

其中步骤S4.1包括以下步骤：

S4.1.1，确定车下吊挂设备的减振系统垂向刚度k_jv：

$k_{jv}=\frac{{\left(2{\mathrm{\πf}}_{jv}\right)}^2{m}_j}{n}---\left(5\right)$

其中，n为车下吊挂设备吊挂点数；

S4.1.2，确定车下吊挂设备的减振系统横向刚度k_jL：

$k_{jL}=\frac{{\left(2{\mathrm{\πf}}_{jL}\right)}^2{m}_j}{n}---\left(6\right).$

步骤S4.2中，各车下吊挂设备的减振系统阻尼系数根据式(7)确定：

$c_j=2m_j\mathrm{\ζ}\sqrt{\frac{k_{jv}}{m_j}}---\left(7\right)$

其中，c_j为第j个车下吊挂设备的减振系统阻尼系数。

S4.2，依据步骤S3.2得到的减振系统阻尼比与步骤S4.1得到的减振系统横向与垂向刚度，确定各车下吊挂设备的减振系统阻尼系数。

S5，将各车下吊挂设备与车体连接，实现对车体的振动控制。

本发明是利用车下吊挂设备对车体振动进行控制的设计方法，其中包括分析车体振动中弹性模态振动能量分布，确定车体振动控制的目标模态；根据车体振动控制目标模态振型，结合车辆各轮轴载重均匀分配，确定车下吊挂设备安装的最优位置方案，并确定车体振动控制目标模态位于车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量；确定车下吊挂设备减振系统固有频率与阻尼比；确定车下吊挂设备减振元件参数等内容，整个流程如图1所示。

图2所示为车体与车下吊挂设备简化模型图示，其中，车体1通过减振元件与车下吊挂设备2相连接，减振元件包括减振刚度元件3与减振阻尼元件4。

针对国内某高速动车组整备状态无吊挂车体，建立其有限元模型并进行模态分析，确定其主要低阶弹性模态族的频率分布，如表1所示。

表1整备状态无吊挂的高速动车组车体模态分析结果

建立该高速动车组车辆刚柔耦合动力学模型并进行动力学分析，采集其车体地板中心位置处垂向振动加速度频谱特性数据如图3所示。从图中可以看处，除低频的1～2Hz频率范围的车体垂向刚性振动外，车体中部的垂向振动能量大部分集中在7～12Hz频率范围内，且车体垂向一阶弯曲模态频率处的振动加速度幅值最大，这说明车体垂向一阶弯曲模态对垂向振动贡献的能量最高，据此可确定车体中部垂向振动控制的目标模态为车体垂向一阶弯曲模态。

采集的车体地板中心位置处横向振动加速度频谱特性数据如图4所示。从图中可以看处，除低频的2Hz以下频率范围的车体横向刚性振动外，车体中部横向一阶弯曲模态频率处的振动加速度幅值最大，这说明车体横向一阶弯曲模态对横向振动贡献的能量最高，据此可确定车体中部横向振动控制的目标模态为车体横向一阶弯曲模态。

以单个车下吊挂设备(设备质量3000kg)为例进一步说明本发明控制方法。依据确定的车体振动控制目标模态：车体垂向一阶弯曲模态与横向一阶弯曲模态，上述模态振型在车体中部的变形最大，则该车下吊挂设备安装于车体中部下方时，对降低目标模态振动的效果最佳，且满足轴重均匀条件，故该车下设备最佳安装位置为车体中部下方。

在车体有限元模型中部车下设备安装位置处，建立集中质量单元，集中质量单元与车体采用刚性连接，利用模态分析，分别确定集中质量单元质量为1吨、2吨、3吨、4吨及5吨时，车体垂向一阶弯曲模态与横向一阶弯曲模态频率值；随后，采用等价质量识别法，即式(1)，分别确定垂向一阶弯曲模态与横向一阶弯曲模态在该设备安装位置处的等价模态质量，并把附加的集中单元质量大小作为横轴，对应的等价模态质量作为纵轴，二者关系绘图表示，附加质量与垂向一阶弯曲模态等价模态质量关系如图5所示，附加质量与横向一阶弯曲模态等价模态质量关系图6所示。利用最小二乘曲线拟合法，读出附加质量为0时的等价模态质量，则得到车体垂向一阶弯曲模态在该设备安装位置处的等价模态质量为15380kg、车体横向一阶弯曲模态在该设备安装位置处的等价模态质量为22830kg。

利用车体垂向振动加速度响应的动力吸振最优法，即式(2)，则得到该车下吊挂设备的减振系统垂向固有频率为8.25Hz。

利用车体横向振动加速度响应的动力吸振最优法，即式(3)，则得到该车下吊挂设备的减振系统横向固有频率为11.36Hz。

依据车体振动加速度响应的最优阻尼，即式(4)，则得到该车下吊挂设备的减振系统最优阻尼比为0.24。

依据式(5)，则得到车下吊挂设备的减振系统每吊挂点垂向动刚度为2.02MN/m。

依据式(6)，则得到车下吊挂设备的减振系统每吊挂点横向动刚度为3.82MN/m。

依据式(7)，则得到车下吊挂设备的减振系统每吊挂点阻尼系数为7.46×104N·s/m。

图7是未施加振动控制与施加本发明方法的振动控制时，车体地板中心位置处垂向振动加速度频谱特性对比图。从图中可以看处，采用本发明高速动车组车体振动控制方法后，实现了对车体垂向一阶弯曲模态振动的有效控制，车体垂向一阶弯曲模态频率处的振动加速度幅值由0.147m/s²降低至0.028m/s²，降低幅度可达81％。

图8是未施加振动与施加本发明控制方法的振动控制时，车体地板中心位置处横向振动加速度频谱特性对比图。从图中可以看处，采用本发明高速动车组车体振动控制方法后，实现了对车体横向一阶弯曲模态振动的有效控制，车体横向一阶弯曲模态频率处的振动加速度幅值由0.145m/s²降低至0.043m/s²，降低幅度可达70％。

本方法对高速动车组车下吊挂设备减振系统固有频率与阻尼比实施优化设计，调整车下吊挂设备对车体的反作用力，实现对车体多阶弹性模态振动的控制，并提高车辆运行平稳性，改善车辆乘坐舒适度。

Claims (10)

1.一种高速动车组车体弹性模态振动控制方法，用于对高速动车组车体的振动进行控制，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1，获取车体实体模型，进行车体振动分析，获得弹性模态振动能量分布，确定车体振动控制的目标模态；

S2，根据目标模态，确定多个车下吊挂设备的安装位置，并确定车体振动控制的目标模态位于各车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量；

S3，根据等价模态质量，确定各车下吊挂设备的减振系统固有频率与阻尼比；

S4，根据各车下吊挂设备的减振系统固有频率与阻尼比，确定各车下吊挂设备的减振系统横向刚度、垂向刚度和阻尼系数；

S5，将各车下吊挂设备与车体连接，实现对车体的振动控制。

2.根据权利要求1所述的一种高速动车组车体弹性模态振动控制方法，其特征在于，所述的步骤S1包括以下步骤：

S1.1，获取车体实体模型，对实体模型进行有限元模态分析，确定车体弹性模态频率；

S1.2，建立包含车体弹性模态和多个车体吊挂设备的车体刚柔耦合动力学模型并进行动力学分析，采集车体振动加速度频谱特性数据，并分析车体振动中弹性模态振动能量分布，确定车体振动控制的目标模态。

3.根据权利要求2所述的一种高速动车组车体弹性模态振动控制方法，其特征在于，所述的步骤S1.2中，所述的车体振动加速度频谱特性数据通过车辆以实际最高运营速度或在固定区段所期望的运营速度运行时的仿真计算得到。

4.根据权利要求2所述的一种高速动车组车体弹性模态振动控制方法，其特征在于，所述的步骤S1.2中，数据采集、能量分布分析及目标模态确定具体为：令车辆以实际最高运营速度或在固定区段所期望的运营速度运行，采集车体中心位置及转向架上方车体距地板中心左侧1m位置处的垂向振动加速度频谱特性数据，将频率作为横坐标，各频率点采集的振动加速度幅值作为纵坐标，将最大振动加速度幅值所对应横坐标处的频率值作为车体弹性模态族中垂向振动主频率，将与垂向振动主频率对应的模态作为车体振动控制的垂向目标模态；同理，采集车体中心位置及转向架上方车体距地板中心左侧1m位置处的横向振动加速度频谱特性数据，确定车体弹性模态族中横向振动主频率及横向目标模态。

5.根据权利要求1所述的一种高速动车组车体弹性模态振动控制方法，其特征在于，所述的步骤S2包括以下步骤：

S2.1，根据车体振动控制的目标模态的振型，均匀分配车体各轮轴载重，确定各车下吊挂设备安装位置；

S2.2，对加入车下吊挂设备的车体建立有限元模型，利用模态分析与质量感应法，确定车体振动控制的目标模态在各车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量。

6.根据权利要求5所述的一种高速动车组车体弹性模态振动控制方法，其特征在于，所述的步骤S2.2包括以下步骤：

S2.2.1，在车体有限元模型中第j个吊挂设备安装位置处，建立集中质量单元，集中质量单元与车体采用刚性连接，对集中质量单元的质量取多个不同值，分别利用模态分析，确定相应的第i阶车体振动控制的目标模态频率值；

S2.2.2，利用式(1)，即质量感应法，确定第i阶车体振动控制目标模态在第j个吊挂设备安装位置处的等价模态质量M_ji；

$M_{ji}={\mathrm{\Δm}}_{ji}\frac{f_{ji}^2}{F_i^2-f_{ji}^2}---\left(1\right)$

其中：Δm_ji是在第j个吊挂设备安装位置处附加的集中单元质量，F_i是车体第i个振动控制目标模态频率，f_ji是在第j个吊挂设备安装位置处附加质量Δm_ji后第i阶车体振动控制目标模态频率；

S2.2.3，把附加的集中单元质量大小作为横轴，对应的等价模态质量作为纵轴，二者关系绘图表示，利用最小二乘曲线拟合法，获得附加质量为0时的等价模态质量，作为去除误差后的车体振动控制的目标模态在车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量；

S2.2.4，返回步骤S2.2.1，直到车体振动控制的各阶目标模态在全部车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量确定完毕。

7.根据权利要求1所述的一种高速动车组车体弹性模态振动控制方法，其特征在于，所述的步骤S3包括以下步骤：

S3.1，根据步骤S2得到的等价模态质量，分别利用车体垂向振动与横向振动加速度响应的动力吸振最优法，确定各车下吊挂设备的横向减振系统固有频率与垂向减振系统固有频率；

S3.2，利用基于车体振动加速度响应的最优阻尼，依据步骤S2得到的等价模态质量，确定各车下吊挂设备的减振系统阻尼比。

8.根据权利要求7所述的一种高速动车组车体弹性模态振动控制方法，其特征在于，所述的步骤S3.1包括以下步骤：

S3.1.1，利用式(2)，即车体垂向振动加速度响应的动力吸振最优法，确定各车下吊挂设备的减振系统垂向固有频率；

$f_{jv}=\frac{F_{iv}}{\sqrt{1+\frac{m_j}{M_{ji}}}}---\left(2\right)$

其中：f_jv是第j个车下吊挂设备的减振系统垂向固有频率，m_j是第j个车下吊挂设备的质量；F_iv是车体振动控制的第i阶车体垂向目标模态频率；M_ji是第i阶车体振动控制目标模态在第j个车下吊挂设备安装位置处的等价模态质量；

S3.1.2，利用式(3)，即车体横向振动加速度响应的动力吸振最优法，确定各车下吊挂设备的减振系统横向固有频率；

$f_{jL}=\frac{F_{iL}}{\sqrt{1+\frac{m_j}{M_{ji}}}}---\left(3\right)$

其中：f_jL是第j个车下吊挂设备的减振系统横向固有频率，F_iL是车体振动控制的第i阶车体横向目标模态频率。

9.根据权利要求7或8所述的一种高速动车组车体弹性模态振动控制方法，其特征在于，所述的步骤S3.2中，各车下吊挂设备的减振系统阻尼比计算按照式(4)：

${\mathrm{\ζ}}_j=\sqrt{\frac{3\frac{m_j}{M_{ji}}}{4(1+\frac{m_j}{M_{ji}})(2+\frac{m_j}{M_{ji}})}}---\left(4\right)$

式中，ζ_j是第j个车下吊挂设备的减振系统阻尼比，M_ji是第i阶车体振动控制目标模态在第j个吊挂设备安装位置处的等价模态质量。

10.根据权利要求9所述的一种高速动车组车体弹性模态振动控制方法，其特征在于，所述的步骤S4包括以下步骤：

S4.1，依据步骤S3.1得到的各车下吊挂设备的横向与垂向减振系统固有频率，确定各车下吊挂设备的减振系统横向刚度与垂向刚度，其中减振系统垂向刚度k_jv按照式(5)计算：

$k_{jv}=\frac{{\left(2{\mathrm{\πf}}_{jv}\right)}^2{m}_j}{n}---\left(5\right)$

减振系统横向刚度k_jL按照式(6)计算：

$k_{jL}=\frac{{\left(2{\mathrm{\πf}}_{jL}\right)}^2{m}_j}{n}---\left(6\right)$

式中，n为吊挂设备吊挂点数；

S4.2，依据步骤S3.2得到的减振系统阻尼比与步骤S4.1得到的减振系统横向与垂向刚度，根据式(7)确定各车下吊挂设备的减振系统阻尼系数：

$c_j=2m_j\mathrm{\ζ}\sqrt{\frac{k_{jv}}{m_j}}---\left(7\right)$

式中，c_j为第j个车下吊挂设备的减振系统阻尼系数。