高速单动车厢主动悬挂动力学建模及计算机仿真

论文摘要

高速单动车厢是一种集高速、快捷、舒适于一体的新型铁路技术，代表了未来铁路技术的发展方向。本文对高速单动车厢系统的主动悬挂部分进行了理论推导、总结和计算机仿真等一系列的研究，为进一步对高速单动车厢系统的主动悬挂系统的控制部分硬件及其相关产品的设计提供了理论基础。通过分别使用牛顿法和拉格朗日方程法建立车厢的系统模型。使用牛顿法建立二自由度1／4车模型，使用拉格朗日方程法建立五自由度的1／2车模型。分别得到系统的动力学方程，并且用状态空间表达式来表示。综合考虑轨道不平顺性等各种相关因素，得出主动悬挂作动器的输出规律，使用Matlab模拟仿真出没有添加作动器情况下，也就是传统被动悬挂状态下系统的各种特性曲线，作为后面的仿真验证参考。最优控制理论的角度来分析并得到作动器的运动规律，或者是控制器的输出规律。使用三维造型软件Solidwork建立系统实体模型，以观察各个部分的相互装配情况。使用仿真软件MSC.Adams／Rail建立动力学仿真模型，系统地分析MSC.Adams／Rail创建模板的基本流程、步骤以及建模的基本原理方法。并详细说明针对高速单动车厢系统使用MSC.Adams／Rail建模的主要步骤，从轮对到悬架，同时添加各种附件，直至成为一个完整的装配体。系统仿真模型的建立为下面的系统动力学仿真提供了必要条件。使用此模型进行动力学仿真，分别仿真出车体质心加速度、速度、位移，转向架速度、位移和前后部轮轨垂向、横向、纵向受力曲线，同时相关的曲线同Matlab仿真曲线相比较，得出此模型真实可信的结论。随后在此模型中添加作动器，在主动调节下进行仿真，并且仿真出一系列曲线。对两次仿真的结果进行对比和分析，最后得出结论：采用主动悬挂可以有效地改善高速单动车厢系统的动力学性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.1.1 驱动与制动模块
• 1.1.2 弹簧与稳定系统
• 1.1.3 轨道系统
• 1.2 机车悬挂的分类及性能
• 1.2.1 被动悬挂
• 1.2.2 半主动悬挂
• 1.2.3 主动悬挂
• 1.2.3.1 主动悬挂的特点
• 1.2.3.2 主动悬挂的力学特性
• 1.2.3.3 主动悬架的构成
• 1.2.3.4 主动悬架幅频特性
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 欧洲
• 1.3.2 美国
• 1.3.3 日本
• 1.4 本文的研究内容
• 2 车厢动力学模型的建立
• 2.1 多自由度动力学方程
• 2.2 状态空间求法
• 2.3 车厢数学模型的建立
• 2.3.1 二自由度1/4车动力学方程的建立
• 2.3.2 四自由度1/2车动力学方程的建立
• 2.3.2.1 采用拉格郎日方程法建立系统的动力学方程
• 2.4 动力学参数
• 2.5 轨道不平度对车厢振动的影响
• 2.6 单车厢系统的MATLAB仿真
• 2.7 本章小结
• 3 高速单动车厢主动悬挂系统的控制原理
• 3.1 主动悬挂常用的控制方法
• 3.1.1 自适应与自校正控制方法
• 3.1.2 天棚阻尼器控制方法
• 3.1.3 预见控制方法
• 3.1.4 神经网络控制
• 3.2 高速单动车厢主动悬挂使用最优控制方法
• 3.3 本章小结
• 4 基于 MSC.ADAMS/RAIL的动力学模型建立及仿真
• 4.1 Msc.Adams/Rail介绍
• 4.2 仿真模型的建立
• 4.2.1 Msc.Adams/ Rail模板的建立
• 4.2.1.1 模板简介
• 4.2.1.2 模板设计原则
• 4.2.1.3 ADAMS计算工作流程
• 4.2.1.4 应用ADAMS软件进行机械系统动态仿真分析基本步骤
• 4.2.1.5 Msc.Adams/Rail建模基本原理方法
• 4.2.2 高速单动车厢模板的创建
• 4.2.2.1 建立轮对
• 4.2.2.2 建立构架
• 4.2.2.3 建立轴箱
• 4.2.2.4 建立一系悬挂
• 4.2.2.5 建立二系悬挂
• 4.2.2.6 建立垂向、横向和抗蛇行阻尼器
• 4.2.2.7 建立止挡
• 4.2.2.8 其余车体部分的建立
• 4.3 被动悬挂动力学仿真结果
• 4.4 Matlab与Msc.Adams/Rail仿真结果分析
• 4.5 主动悬挂动力学仿真结果
• 4.6 传统被动悬挂与主动悬挂动力学仿真结果分析
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文目录