CN114547893A - 一种隔振器及隔振器的参数优化方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种隔振器及隔振器的参数优化方法，隔振器包括：底盘和顶盖；第一包围件，从顶盖的边缘向第一方向延伸，以形成第一包围件；第二包围件，从底盘的第一位置处向第二方向延伸，以形成第二包围件；第一弹簧，被布置在第二包围件内，第一弹簧的一端与底盘固定连接；第一阻尼液，被填充在第二包围件内，以覆盖部分第一弹簧；惯容器，位于第二包围件所形成的容纳空间内，惯容器的一端与第一弹簧的另一端固定连接，惯容器的另一端与顶盖可移动地连接，以使惯容器能够相对于顶盖在预设方向上进行运动，提供了一种振动抑制效果更好的隔振器，以及提高隔振器在浮置板轨道中应用时的振动抑制效果。
Description
技术领域
本申请涉及隔振器技术领域，具体而言，涉及一种隔振器及隔振器的参数优化方法。
背景技术
现有技术中，为了降低城市轨道交通环境振动负面影响，地铁公司采取了诸多轨道减振措施。其中，钢弹簧浮置板轨道被认为具有极佳减振效果，应用于减振要求最为严格的线路区段。然而，钢弹簧浮置板轨道对低频振动的抑制效果并不明显。钢弹簧浮置板轨道发挥隔振作用的频率范围需大于1.414倍浮置板固有频率，致使其对20Hz以下低频振动的抑制效果并不明显，且浮置板共振作用还将引起10Hz左右处的振动放大，因此需要一种配合使用的隔振器，以提升浮置板轨道减振性能。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种隔振器及隔振器的参数优化方法，目的在于提供一种振动抑制效果更好的隔振器，以及提高隔振器在浮置板轨道中应用时的振动抑制效果。
第一方面，本申请实施例提供一种隔振器，包括：底盘和顶盖；第一包围件，从顶盖的边缘向第一方向延伸，以形成第一包围件；第二包围件，从底盘的第一位置处向第二方向延伸，以形成第二包围件，第一方向与第二方向相反，且第二包围件位于第一包围件所形成的容纳空间内；第一弹簧，被布置在第二包围件内，第一弹簧的一端与底盘固定连接；第一阻尼液，被填充在第二包围件内，以覆盖部分第一弹簧；惯容器，位于第二包围件所形成的容纳空间内，惯容器的一端与第一弹簧的另一端固定连接，惯容器的另一端与顶盖可移动地连接，以使惯容器能够相对于顶盖在预设方向上进行运动。
优选地，惯容器包括：连接套筒，位于第二包围件所形成的容纳空间内，从顶盖的中心处向第一方向延伸，以形成连接套筒；转动部，转动部的外壁与连接套筒的延伸端可移动地连接；固定部，固定部的一端与第一弹簧的另一端固定连接，固定部的另一端与转动部的内壁可移动地连接。
优选地，惯容器还包括：轴承，布置在连接套筒的延伸端；第一滚珠，布置在轴承内。
优选地，转动部的内壁上形成有内螺纹，固定部包括端部圆盘和从端部圆盘的中心处向第二方向延伸所形成的丝杠，端部圆盘与第一弹簧的另一端固定连接，丝杠的外表面上形成有与转动部的内壁上的内螺纹相匹配的外螺纹，惯容器还包括：第二滚珠，布置在丝杠的外表面上形成的外螺纹与转动部的内壁上形成的内螺纹之间，以使丝杠与转动部的内壁可移动地连接。
优选地，隔振器还包括：第三包围件，从底盘的边缘向第二方向延伸，以形成第三包围件，并且第二包围件位于第三包围件所形成的容纳空间内；第二弹簧，被布置在第二包围件与第三包围件之间的容纳空间内，第二弹簧的一端与底盘固定连接，第二弹簧的另一端与顶盖固定连接；第二阻尼液，被填充在第二包围件与第三包围件之间的容纳空间内，以覆盖部分第二弹簧。
第二方面，本申请实施例还提供一种隔振器的参数优化方法，包括：
A1：对隔振器浮置板轨道对应的有限半轨道模型进行谱单元划分，获得多个谱单元，多个谱单元至少包括Timoshenko梁谱单元、连续支承Timoshenko梁谱单元、弹簧-阻尼器谱单元、剪切弹簧谱单元和惯容器-弹簧-阻尼器谱单元，谱单元之间通过节点连接；
A2：针对每个谱单元，计算该谱单元对应的刚度矩阵，以获得有限半轨道模型的总谱刚度矩阵；
A3：在模拟仿真平台中，确定目标Timoshenko梁谱单元的第一节点，并输入第一节点输入的垂向谱节点荷载及总谱刚度矩阵，以输出有限半轨道模型的位移导纳响应；
A4：在模拟仿真平台中，采用NSGA-II算法，输入隔振器的多个预设参数作为决策变量，输入在每个预设频率范围区间内，目标连续支承Timoshenko梁谱单元的第二节点所输出的位移导纳响应对应的预设函数表达式的集合作为目标函数，以输出目标函数满足预设条件的所有决策变量的集合，并作为优化向量解集；
A5：在优化向量解集中确定出一个最优向量，以作为隔振器对应的预设参数的实际值。
优选地，有限半轨道模型至少包括：钢轨、位于钢轨下方的多个浮置板、用于连接钢轨与浮置板的多个扣件、设置在相邻浮置板之间的剪力铰、用于连接浮置板与基础的多个隔振器和用于连接基础与地面的多个连续支承，其中，对隔振器浮置板轨道对应的有限半轨道模型进行谱单元划分，获得多个谱单元的步骤，具体包括：将两个相邻扣件之间的每段钢轨或半截面浮置板模拟为一个Timoshenko梁谱单元；将每个扣件模拟为一个弹簧-阻尼器谱单元；将每个隔振器模拟为一个惯容器-弹簧-阻尼器谱单元；将每个剪力铰模拟为一个剪切弹簧谱单元；将无反射边界条件模拟为截断谱单元；将两个相邻隔振器之间的每段基础支承模拟为一个连续支承Timoshenko梁谱单元。
优选地，针对每个谱单元，计算该谱单元对应的刚度矩阵，以获得有限半轨道模型的总谱刚度矩阵的步骤，具体包括：获取每个谱单元对应的表达式，以及获取隔振器浮置板轨道对应的有限半轨道模型的物理参数值；针对每个谱单元，将物理参数值带入该谱单元对应的表达式中，以获得该谱单元对应的刚度矩阵；根据有限元法的坐标变换方式，将每个谱单元中的单元坐标系转换为全局坐标系，以获得全局谱刚度矩阵；对全局谱刚度矩阵进行模型约束条件处理，以获得有限半轨道模型的总谱刚度矩阵。
优选地，通过以下方式计算使目标函数满足预设条件的所有决策变量的集合，预设条件通过以下公式描述：
其中，x＝(bTID,kTID,cTID)为决策向量，bTID为惯容器的惯容系数，kTID为惯容器的弹簧刚度，cTID为惯容器的阻尼液阻尼，f为频率，预设频率范围区间分别为[fb1，fb2]和[fb2，fb3]，且fb1＜fb2＜fb3，RI为第二节点所输出的位移导纳响应的幅值，min F(x)表示取最小值，
决策向量取值范围为
优选地，在优化向量解集中确定出一个最优向量，以作为隔振器对应的预设参数的实际值的步骤，具体包括：根据目标向量解集与目标函数的映射关系，获得最优解集前沿曲线；根据最优解集前沿曲线的斜率变化，确定出最优决策向量；针对最优决策向量中的每个参数值，作为优化后的隔振器对应的预设参数的实际参数值。
本申请实施例提供的一种隔振器及隔振器的参数优化方法，隔振器包括底盘、顶盖、第一包围件、第二包围件、第一弹簧、第一阻尼液和惯容器，其中第一包围件从顶盖的边缘向第一方向延伸，以形成第一包围件，第二包围件从底盘的第一位置处向第二方向延伸，以形成第二包围件，第一方向与第二方向相反，且第二包围件位于第一包围件所形成的容纳空间内，第一弹簧被布置在第二包围件内，第一弹簧的一端与底盘固定连接，第一阻尼液被填充在第二包围件内，以覆盖部分第一弹簧，惯容器位于第二包围件所形成的容纳空间内，惯容器的一端与第一弹簧的另一端固定连接，惯容器的另一端与顶盖可移动地连接，以使惯容器能够相对于顶盖在预设方向上进行运动，当隔振器工作时，通过隔振器和第一弹簧的配合可以调节结构的惯性和刚度特性，使隔振器内部的惯性放大，将振动能量转移，进而提高隔振器的振动抑制效果。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种隔振器的结构示意图；
图2为本申请实施例所提供的一种隔振器的参数优化方法的流程图；
图3为本申请实施例所提供的一种TID隔振器浮置板轨道有限半轨道模型的结构示意图；
图4为本申请实施例所提供的一种有限半轨道模型谱单元划分的示意图；
图5为本申请实施例所提供的一种隔振器的力学模型的结构示意图；
图6为本申请实施例所提供的一种周期半轨道模型的结构示意图；
图7为本申请实施例所提供的一种周期半轨道模型谱单元划分的示意图；
图8为本申请实施例所提供的一种有限半轨道模型的总谱刚度矩阵的步骤的流程图；
图9为本申请实施例所提供给的一种两节点惯容器-弹簧-阻尼器谱单元的示意图；
图10为本申请实施例所提供的一种MOP的Pareto前沿的示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，本申请中的附图仅起到说明和描述的目的，并不用于限定本申请的保护范围。另外，应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本申请中使用的流程图示出了根据本申请的一些实施例实现的操作。应当理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本申请内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。
另外，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的全部其他实施例，都属于本申请保护的范围。
现有技术中，为了降低城市轨道交通环境振动负面影响，地铁公司采取了诸多轨道减振措施。其中，钢弹簧浮置板轨道被认为具有极佳减振效果，应用于减振要求最为严格的线路区段。然而，钢弹簧浮置板轨道发挥隔振作用的频率范围需大于1.414倍浮置板固有频率，致使其对20Hz以下低频振动的抑制效果并不明显，且浮置板共振作用还将引起10Hz左右处的振动放大，因此需要一种配合使用的隔振器，以提升浮置板轨道减振性能。针对上述问题，本申请实施例提供了一种隔振器及隔振器的参数优化方法，下面通过实施例进行描述。
为便于对本申请进行理解，下面结合具体实施例对本申请提供的技术方案进行详细说明。
图1为本申请实施例提供的一种隔振器的结构示意图。请参阅图1，为本申请实施例提供的一种隔振器，包括底盘1、顶盖2、第一包围件、第二包围件3、和TID(调谐惯容阻尼器)，TID具体包括第一弹簧4、第一阻尼液5和惯容器。
其中，第一包围件从顶盖2的边缘向第一方向延伸，以形成第一包围件(图中未示出)。第二包围件3从底盘1的第一位置处向第二方向延伸，以形成第二包围件3。第一方向与第二方向相反，且第二包围件3位于第一包围件所形成的容纳空间内。第一弹簧4被布置在第二包围件3内，第一弹簧4的一端与底盘1固定连接。第一阻尼液5被填充在第二包围件3内，以覆盖部分第一弹簧4。其中，第二包围件3和底盘1可以是一体成型的。
惯容器位于第二包围件3所形成的容纳空间内，惯容器的一端与第一弹簧4的另一端固定连接，惯容器的另一端与顶盖2可移动地连接，以使惯容器能够相对于顶盖2在预设方向上进行运动。
本申请提供的隔振器，惯容器、第一阻尼液5和第一弹簧4共同形成一个惯容减振系统，当隔振器工作时，通过隔振器和第一弹簧4的配合可以调节结构的惯性和刚度特性，使隔振器内部的惯性放大，将振动能量转移，进而提高隔振器的振动抑制效果。
在本申请的一个实施例中，惯容器具体包括连接套筒6、转动部7、固定部8、第一滚珠9、第二滚珠和轴承10。
其中，连接套筒6位于第二包围件3所形成的容纳空间内，从顶盖2的中心处向第一方向延伸，以形成连接套筒6。转动部7的外壁与连接套筒6的延伸端可移动地连接，转动部7的内壁上形成有内螺纹。转动部7的剖面呈T形，转动部7的底部半径大于上部的半径。
固定部8的一端与第一弹簧4的另一端固定连接，固定部8的另一端与转动部7的内壁可移动地连接。具体的，固定部8包括端部圆盘和从端部圆盘的中心处向第二方向延伸所形成的丝杠，端部圆盘与第一弹簧4的另一端固定连接，丝杠的外表面上形成有与转动部7的内壁上的内螺纹相匹配的外螺纹。第二滚珠(图中未示出)布置在丝杠的外表面上形成的外螺纹与转动部7的内壁上形成的内螺纹之间，以使丝杠与转动部7的内壁可移动地连接。轴承10布置在连接套筒6的延伸端，第一滚珠9布置在轴承10内。
其中，当隔振器工作时，其中的惯容器与隔振器一样两端受力，惯容器两端间产生相对直线位移，通过第二滚珠及丝杠将振动产生的能量转化为转动部7的旋转运动，以实现惯性放大。将振动能量转移，进而提高隔振器的振动抑制效果。
在本申请的一个实施例中，隔振器还包括第三包围件11、第二弹簧12和第二阻尼液13。
其中，第三包围件11从底盘1的边缘向第二方向延伸，以形成第三包围件11，并且第二包围件3位于第三包围件11所形成的容纳空间内。其中，第三包围件11、第二包围件3和底盘1可以是一体成型的。第二弹簧12被布置在第二包围件3与第三包围件11之间的容纳空间内，第二弹簧12的一端与底盘1固定连接，第二弹簧12的另一端与顶盖2固定连接。第二阻尼液13被填充在第二包围件3与第三包围件11之间的容纳空间内，以覆盖部分第二弹簧12。
在本申请的实施例中，第二弹簧12、第二阻尼液13形成主体减振系统，当隔振器工作时，惯容器、第一阻尼液5和第一弹簧4共同形成的惯容减振系统与主体减振系统之间的振动并不同步，这种异步振动可使其内部耗能装置(即第一阻尼液5)的有效变形得以放大，该耗能增效的作用可进一步抑制动态响应。
进一步的，通过将TID应用于钢弹簧浮置板轨道中，提出一种新型的TID隔振器浮置板轨道结构。在此基础上，建立周期半轨道模型，采用谱元法对其进行求解，以揭示TID隔振器浮置板轨道的减振机理，建立有限半轨道模型，结合多目标遗传算法，以实现TID参数优化。
如图2所示，本申请的实施例中还提供了一种隔振器的参数优化方法，包括：
A1：对隔振器浮置板轨道对应的有限半轨道模型进行谱单元划分，获得多个谱单元，多个谱单元至少包括Timoshenko梁谱单元、连续支承Timoshenko梁谱单元、弹簧-阻尼器谱单元、剪切弹簧谱单元和惯容器-弹簧-阻尼器谱单元，谱单元之间通过节点连接。
图3为本申请实施例所提供的一种TID隔振器浮置板轨道有限半轨道模型的结构示意图。这里的隔振器浮置板轨道指代的为TID隔振器浮置板轨道结构。
如图3所示，进一步的，有限半轨道模型至少包括：钢轨、位于钢轨下方的多个浮置板、用于连接钢轨与浮置板的多个扣件、设置在相邻浮置板之间的剪力铰、用于连接浮置板与基础的多个隔振器和用于连接基础与地面的多个连续支承。其中，对隔振器浮置板轨道对应的有限半轨道模型进行谱单元划分，获得多个谱单元的步骤，具体包括：
将两个相邻扣件之间的每段钢轨或半截面浮置板模拟为一个Timoshenko梁谱单元，将每个扣件模拟为一个弹簧-阻尼器谱单元，将每个隔振器模拟为一个惯容器-弹簧-阻尼器谱单元，将每个剪力铰模拟为一个剪切弹簧谱单元，将无反射边界条件模拟为截断谱单元，将两个相邻隔振器之间的每段基础支承模拟为一个连续支承Timoshenko梁谱单元。
图4为本申请实施例提供的一种有限半轨道模型谱单元划分示意图。如图4所示，钢轨采用Timoshenko梁进行模拟，扣件简化为弹簧-阻尼器，TID隔振器简化为惯容器-弹簧-阻尼系统，浮置板同样采用Timoshenko梁进行模拟，每块浮置板长度为8倍扣件间距，浮置板之间的剪力铰采用剪切弹簧进行模拟，基础简化为连续支承Timoshenko梁。为了减小弹性波反射对计算结果的影响，在长钢轨两端施加无反射边界条件。
本申请的实施例中，隔振器的力学模型可以如图5所示。图中，bTID、kTID和cTID分别为惯容器的惯容系数、惯容器的弹簧(即第一弹簧)刚度与惯容器的阻尼液阻尼(即第一阻尼液)，kss和css为第二弹簧刚度与第二阻尼液阻尼，u1、u2和u3分别为节点1～3的位移，f1和f2为TID两端的受力。分别对节点1～3建立运动方程，可得：
在实际应用中，添加了隔振器的浮置板轨道可以视为一维周期结构，因此可采用周期结构弹性波分析方法研究TID隔振器浮置板轨道弯曲波传播特性。基于周期结构理论，建立基于双层点支承梁结构的周期半轨道模型，如图6所示，为本申请实施例所提供的一种周期半轨道模型的结构示意图。
图6中，周期半轨道模型包含一根钢轨，两组扣件，一块半截面浮置板和一个隔振器。
进一步的，采用谱元法对周期半轨道模型进行谱单元划分。图7为本申请实施例提供的一种周期半轨道模型谱单元划分的示意图。如图7所示，钢轨和浮置板可以采用Timoshenko梁进行模拟，其长度等于两倍扣件间距，扣件可以简化为弹簧，隔振器简化为惯容器-弹簧系统，下部基础考虑为固定约束。依据Bloch定理，建立模型两端的周期性联系。模型中只考虑垂向位移和绕横轴的转动自由度，且通过在模型中去除TID所对应的元件即可得到钢弹簧浮置板轨道的周期半轨道模型。
其中，钢轨划分为3个Timoshenko梁谱单元，浮置板划分为4个Timoshenko梁谱单元，每个扣件划分为一个弹簧谱单元，TID隔振器划分为一个惯容器-弹簧谱单元。模型划分之后包含10个谱单元和10个节点，节点的标号在图7中标出。
需要注意的是，由于阻尼的引入可抑制通带范围内自由弹性波的传播，进而改变能带结构，因此在周期半轨道模型中并不考虑阻尼因素，以此分析TID隔振器浮置板轨道的固有弹性波传输特性。模型对应的物理参数见表1。表1如下所示：
A2：针对每个谱单元，计算该谱单元对应的刚度矩阵，以获得有限半轨道模型的总谱刚度矩阵。
图8为本申请实施例提供的一种有限半轨道模型的总谱刚度矩阵的步骤的流程图。如图8所示，针对每个谱单元，计算该谱单元对应的刚度矩阵，以获得有限半轨道模型的总谱刚度矩阵的步骤，具体包括：
B1：获取每个谱单元对应的表达式，以及获取隔振器浮置板轨道对应的有限半轨道模型的物理参数值。
具体的，有限半轨道模型的物理参数值指代表1中除TID外的物理参数值。
B2：针对每个谱单元，将物理参数值带入该谱单元对应的表达式中，以获得该谱单元对应的刚度矩阵；
B3：根据有限元法的坐标变换方式，将每个谱单元中的单元坐标系转换为全局坐标系，以获得全局谱刚度矩阵；
B4：对全局谱刚度矩阵进行模型约束条件处理，以获得有限半轨道模型的总谱刚度矩阵。
现有的研究中已经推导出了除惯容器-弹簧谱单元以外的其他各类型谱单元的刚度矩阵表达式。图9为本申请实施例所提供的一种两节点惯容器-弹簧-阻尼器谱单元的示意图。对于两节点惯容器-弹簧(-阻尼器)谱单元，其谱节点荷载与位移的定义如图9所示，其中，U1和F1分别为节点1处的谱节点位移与荷载，U2和F2分别为节点2处的谱节点位移与荷载，S为预设谱刚度矩阵，可推导获得惯容器-弹簧-阻尼器谱单元刚度矩阵表达式SISD(ω)的表达式为：
显然，令cTID＝0即可得到惯容器-弹簧谱单元刚度矩阵。随后，根据表1所示参数计算各个谱单元的刚度矩阵。采用与有限元法相同的坐标变换方式，将单元坐标系下的谱单元刚度矩阵转换至全局坐标系下，再组装到整体谱刚度矩阵中，同时完成模型约束条件的处理，最终获取模型的整体谱刚度矩阵，并得到模型谱节点荷载向量与位移向量的关系，记为式一，式一的表达式如下：
F＝S(ω)U；
其中，S(ω)为整体谱刚度矩阵，ω为圆频率，U为整体模型的谱节点位移向量，F为整体模型的谱节点荷载向量。
对于周期半轨道模型，式一可细化为：
其中，Ui＝(ui,θi)为节点i(＝1～10)的谱节点位移向量，ui为垂向位移，θi为转动角，Fj＝(Fj,Mj)为节点j(＝1～10)的谱节点荷载向量，Fj为垂向力，Mj为弯矩。谱刚度矩阵S(ω)依据节点编号分割为10×10的分块矩阵，子矩阵为Sij。为了建立模型左端节点与右端节点的传递关系，对式一的细化进行组合可得：
其中，
由于节点3～8未承受外部荷载(即FM＝0)，可得：
其中，
随后，根据两端节点之间的传递关系：
其中，t(ω)为谱传递矩阵，t(ω)的公式为：
此外，结合Bloch定理可得：
其中k为一维Bloch波矢(即波数)，周期常数l等于模型长度(即两倍扣件间距)，最终可得关于k和ω的标准特征值问题：
|t(ω)-e-iklI|＝0，
其中I为单位矩阵。
通过求解该特征值问题，可得由k和ω表示的能带结构。由于t(ω)为8×8矩阵，特征解中包含8条能带曲线，分别表征4对在周期半轨道模型中传播的弹性波。经过验证可知，TID隔振器浮置板轨道在低频范围内产生了可控带隙，可以此抑制浮置板内弯曲波传播，降低浮置板垂向振幅，减小由隔振器传递至基础的力。
A3：在模拟仿真平台中，确定目标Timoshenko梁谱单元的第一节点，并输入第一节点输入的垂向谱节点荷载及总谱刚度矩阵，以输出有限半轨道模型的位移导纳响应。具体的，为了减小弹性波反射对计算结果的影响，在长钢轨两端施加无反射边界条件。在模型中部的跨中钢轨处对应的第一节点处施加垂向简谐点荷载，计算不同轨道部件的动态响应。模型中只考虑垂向位移和绕横轴的转动自由度。与此同时，通过在该模型中去除TID元件即可得到钢弹簧浮置板轨道的有限半轨道模型。这里的模拟仿真平台可以为Matlab等。
A4：在模拟仿真平台中，采用NSGA-II算法，输入隔振器的多个预设参数作为决策变量，输入在每个预设频率范围区间内，目标连续支承Timoshenko梁谱单元的第二节点所输出的位移导纳响应对应的预设函数表达式的集合作为目标函数，以输出目标函数满足预设条件的所有决策变量的集合，并作为优化向量解集。
进一步的，通过以下方式计算使目标函数满足预设条件的所有决策变量的集合，预设条件通过以下公式描述：
其中，x＝(bTID,kTID,cTID)为决策向量，bTID为惯容器的惯容系数，kTID为惯容器的弹簧刚度，cTID为惯容器的阻尼液阻尼，f为频率，所述预设频率范围区间分别为[fb1，fb2]和[fb2，fb3]，且fb1＜fb2＜fb3，RI为第二节点所输出的位移导纳响应的幅值，min F(x)表示取最小值，
决策向量取值范围为
可以理解的是，TID隔振器参数的选取不应只顾其低频减振性能的提升，而应综合考虑宽频减振性能，参数选定属多目标优化问题(Multi-objective OptimizationProblem，MOP)。由于TID隔振器是通过在现有钢弹簧隔振器结构的基础支承上增加TID而得，为了尽量不改变结构的原有部件，MOP决策变量为TID相关参数，即bTID、kTID和cTID，而第二弹簧刚度kss与第二阻尼液阻尼css不参与优化。本实施例中设定TID参数MOP的优化目标为同时降低1～30Hz和30～100Hz频率范围内基础位移导纳幅值的均方根值。其中，F(x)为目标向量，x＝(bTID,kTID,cTID)为决策向量，f为频率，fb1＝1Hz、fb2＝30Hz和fb3＝100Hz为计算边界频率。
其中，多目标优化问题的数学描述公式为：
A5：在优化向量解集中确定出一个最优向量，以作为隔振器对应的预设参数的实际值。
进一步的，在优化向量解集中确定出一个最优向量，以作为隔振器对应的预设参数的实际值的步骤，具体包括：
根据目标向量解集与目标函数的映射关系，获得最优解集前沿曲线。根据最优解集前沿曲线的斜率变化，确定出最优决策向量。针对最优决策向量中的每个参数值，作为优化后的隔振器对应的预设参数的实际参数值。
具体的，图10为本申请实施例提供的一种MOP的Pareto前沿对应的函数的示意图，利用NSGA-II对上述MOP进行求解，其Pareto前沿(即优化向量解集在目标函数空间中的像)如图10所示。
可以理解的是，以钢弹簧浮置板轨道的计算结果为分界点(图10中两条直线的交点)，将由目标向量构成的平面分为四个区域A～D。对于区域A内的最优解集，1～30Hz范围内基础位移导纳幅值均方根值减小，而30～100Hz范围内均方根值增大。在区域B内，1～30Hz和30～100Hz范围内均方根值均减小，若该区域存在最优解，即为理想解。区域C和D的情况分别与区域A和B相反。由图10可知，优化向量解集落在区域A内，表明在提升TID隔振器浮置板轨道低频减振性能时，中高频减振性能将受到一定程度的劣化。
通过观察可知，当Pareto前沿曲线朝着1～30Hz均方根值减小的方向变化时，斜率绝对值逐渐升高，中高频减振性能劣化程度愈发严重，而决策变量bTID,kTID,cTID的最优值均不断增大。相比于钢弹簧浮置板轨道计算结果，图中黄点附近的低频减振性能得到较大程度的提升，而中高频减振性能劣化程度较小，且决策变量数值易于制造实现，故将该处Pareto前沿点选定为最终优化结果，最优决策向量中的预设参数值分别为bTID＝274kg、kTID＝1.06×106N/m、cTID＝7433N·s/m。
将TID参数最优解代入有限半轨道模型，计算钢弹簧浮置板轨道和TID隔振器浮置板轨道的模型中部基础位移导纳幅值。对于钢弹簧浮置板轨道，浮置板和钢轨位移导纳幅值曲线与基础曲线有着相似的变化趋势和特征频率，但幅值大小有所差别。
对比可知，TID使得浮置板和钢轨位移导纳幅值曲线第一波峰往低频方向移动，峰值明显削弱，而带隙范围内的幅值也显著减小。与此同时，浮置板和钢轨高阶垂向弯曲共振所致的各波峰均得以削弱。在70Hz以上频率范围，两种轨道形式的曲线几乎重合，可见TID对浮置板和钢轨中高频振动特性几乎无影响。可知，带隙对弯曲波的抑制作用削弱了低频共振的影响，TID隔振器浮置板轨道不仅低频减振性能得以提升，轨道部件的振动响应也得到减弱。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种隔振器，其特征在于，包括：
底盘和顶盖；
第一包围件，从所述顶盖的边缘向第一方向延伸，以形成所述第一包围件；
第二包围件，从所述底盘的第一位置处向第二方向延伸，以形成所述第二包围件，第一方向与第二方向相反，且所述第二包围件位于所述第一包围件所形成的容纳空间内；
第一弹簧，被布置在所述第二包围件内，所述第一弹簧的一端与所述底盘固定连接；
第一阻尼液，被填充在所述第二包围件内，以覆盖部分第一弹簧；
惯容器，位于所述第二包围件所形成的容纳空间内，所述惯容器的一端与所述第一弹簧的另一端固定连接，所述惯容器的另一端与所述顶盖可移动地连接，以使所述惯容器能够相对于所述顶盖在预设方向上进行运动。
2.根据权利要求1所述的隔振器，其特征在于，所述惯容器包括：
连接套筒，位于所述第二包围件所形成的容纳空间内，从所述顶盖的中心处向第一方向延伸，以形成所述连接套筒；
转动部，所述转动部的外壁与所述连接套筒的延伸端可移动地连接；
固定部，所述固定部的一端与所述第一弹簧的另一端固定连接，所述固定部的另一端与所述转动部的内壁可移动地连接。
3.根据权利要求2所述的隔振器，其特征在于，所述惯容器还包括：
轴承，布置在所述连接套筒的延伸端；
第一滚珠，布置在所述轴承内。
4.根据权利要求2所述的隔振器，其特征在于，所述转动部的内壁上形成有内螺纹，
所述固定部包括端部圆盘和从所述端部圆盘的中心处向第二方向延伸所形成的丝杠，所述端部圆盘与所述第一弹簧的另一端固定连接，所述丝杠的外表面上形成有与所述转动部的内壁上的内螺纹相匹配的外螺纹，
所述惯容器还包括：
第二滚珠，布置在所述丝杠的外表面上形成的外螺纹与所述转动部的内壁上形成的内螺纹之间，以使所述丝杠与所述转动部的内壁可移动地连接。
5.根据权利要求1所述的隔振器，其特征在于，所述隔振器还包括：
第三包围件，从所述底盘的边缘向第二方向延伸，以形成所述第三包围件，并且第二包围件位于第三包围件所形成的容纳空间内；
第二弹簧，被布置在所述第二包围件与所述第三包围件之间的容纳空间内，所述第二弹簧的一端与所述底盘固定连接，所述第二弹簧的另一端与所述顶盖固定连接；
第二阻尼液，被填充在所述第二包围件与所述第三包围件之间的容纳空间内，以覆盖部分第二弹簧。
6.一种隔振器的参数优化方法，其特征在于，包括：
A1：对隔振器浮置板轨道对应的有限半轨道模型进行谱单元划分，获得多个谱单元，所述多个谱单元至少包括Timoshenko梁谱单元、连续支承Timoshenko梁谱单元、弹簧-阻尼器谱单元、剪切弹簧谱单元和惯容器-弹簧-阻尼器谱单元，谱单元之间通过节点连接；
A2：针对每个谱单元，计算该谱单元对应的刚度矩阵，以获得所述有限半轨道模型的总谱刚度矩阵；
A3：在模拟仿真平台中，确定目标Timoshenko梁谱单元的第一节点，并输入所述第一节点输入的垂向谱节点荷载及总谱刚度矩阵，以输出所述有限半轨道模型的位移导纳响应；
A4：在模拟仿真平台中，采用NSGA-II算法，输入所述隔振器的多个预设参数作为决策变量，输入在每个预设频率范围区间内，目标连续支承Timoshenko梁谱单元的第二节点所输出的位移导纳响应对应的预设函数表达式的集合作为目标函数，以输出目标函数满足预设条件的所有决策变量的集合，并作为优化向量解集；
A5：在所述优化向量解集中确定出一个最优向量，以作为所述隔振器对应的预设参数的实际值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述有限半轨道模型至少包括：
钢轨、位于钢轨下方的多个浮置板、用于连接钢轨与浮置板的多个扣件、设置在相邻浮置板之间的剪力铰、用于连接浮置板与基础的多个隔振器和用于连接基础与地面的多个连续支承，
其中，对隔振器浮置板轨道对应的有限半轨道模型进行谱单元划分，获得多个谱单元的步骤，具体包括：
将两个相邻扣件之间的每段钢轨或半截面浮置板模拟为一个Timoshenko梁谱单元；
将每个扣件模拟为一个弹簧-阻尼器谱单元；
将每个隔振器模拟为一个惯容器-弹簧-阻尼器谱单元；
将每个剪力铰模拟为一个剪切弹簧谱单元；
将无反射边界条件模拟为截断谱单元；
将两个相邻隔振器之间的每段基础支承模拟为一个连续支承Timoshenko梁谱单元。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述针对每个谱单元，计算该谱单元对应的刚度矩阵，以获得所述有限半轨道模型的总谱刚度矩阵的步骤，具体包括：
获取每个谱单元对应的表达式，以及获取所述隔振器浮置板轨道对应的有限半轨道模型的物理参数值；
针对每个谱单元，将物理参数值带入该谱单元对应的表达式中，以获得该谱单元对应的刚度矩阵；
根据有限元法的坐标变换方式，将每个谱单元中的单元坐标系转换为全局坐标系，以获得全局谱刚度矩阵；
对全局谱刚度矩阵进行模型约束条件处理，以获得所述有限半轨道模型的总谱刚度矩阵。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过以下方式计算使目标函数满足预设条件的所有决策变量的集合：
所述预设条件通过以下公式描述：
其中，x＝(bTID,kTID,cTID)为决策向量，bTID为惯容器的惯容系数，kTID为惯容器的弹簧刚度，cTID为惯容器的阻尼液阻尼，f为频率，所述预设频率范围区间分别为[fb1，fb2]和[fb2，fb3]，且fb1＜fb2＜fb3，RI为第二节点所输出的位移导纳响应的幅值，min F(x)表示取最小值，
决策向量取值范围为
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在所述优化向量解集中确定出一个最优向量，以作为所述隔振器对应的预设参数的实际值的步骤，具体包括：
根据所述目标向量解集与目标函数的映射关系，获得最优解集前沿曲线；
根据最优解集前沿曲线的斜率变化，确定出最优决策向量；
针对所述最优决策向量中的每个参数值，作为优化后的隔振器对应的预设参数的实际参数值。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210170739.1A CN114547893A (zh) | 2022-02-24 | 2022-02-24 | 一种隔振器及隔振器的参数优化方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114990939A (zh) * | 2022-07-21 | 2022-09-02 | 株洲时代新材料科技股份有限公司 | 浮置板道床用弹簧隔振器和浮置板道床的顶升方法 |
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2022
- 2022-02-24 CN CN202210170739.1A patent/CN114547893A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN114990939A (zh) * | 2022-07-21 | 2022-09-02 | 株洲时代新材料科技股份有限公司 | 浮置板道床用弹簧隔振器和浮置板道床的顶升方法 |
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