一种高速动车组车体弹性模态振动控制方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
-种高速动车组车体弹性模态振动控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种弹性模态振动控制方法，尤其是设及一种高速动车组车体弹性模 态振动控制方法。
【背景技术】
[0002] 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W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，运些振动的频率主要集中在甜Z W下。影响车 体振动的弹性振动主要是通常集中在細Z~15化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~10化，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，但运些 控制方法较为复杂、且成本高、维护难。
【发明内容】
[0003] 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。
[0004] 本发明的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0005] -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W下步骤：
[0006] 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W是某一阶模态，也可W是 某几阶模态。
[0007] 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；
[000引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；
[0009] 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；
[0010] S5,将各车下吊挂设备与车体连接，实现对车体的振动控制。
[0011] 所述的步骤S1包括W下步骤：
[0012] 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；
[0013] 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禪合动力学模型并 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。
[0014] 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W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。
[0015] 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W实 际最高运营速度或在固定区段所期望的运营速度运行，采集车体中屯、位置及转向架上方车 体距地板中屯、左侧Im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，采集车体中屯、位置及转向架上方车体距地板中屯、左侧Im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。
[0016] 所述的步骤S2包括W下步骤：
[0017] 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，运些位置应尽量接近 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W保证对车体某些具有对称形式的弹性模态振 动控制效果；
[001引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。
[0019] 所述的步骤S2.2包括W下步骤：
[0020] 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；
[0021] 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Mji;
[0022]
(1)
[0023] 其中：Am扣是在第j个吊挂设备安装位置处附加的集中单元质量，Fi是车体第i个 振动控制目标模态频率，。1是在第j个吊挂设备安装位置处附加质量A 后第i阶车体振 动控制目标模态频率；
[0024] 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；
[0025] 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。
[00%] 所述的步骤S3包括W下步骤：
[0027] 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；
[00%] 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。
[0029] 所述的步骤S3.1包括W下步骤：
[0030] 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；
(2)
[0031]
[0032] 其中是第j个车下吊挂设备的减振系统垂向固有频率，是第j个车下吊挂设 备的质量;Fiv是车体振动控制的第i阶车体垂向目标模态频率;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；
[0033] 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；
(3)
[0034]
[0035] 其中：f>是第j个车下吊挂设备的减振系统横向固有频率，FiL是车体振动控制的 第i阶车体横向目标模态频率。
[0036] 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):
[0037]
(4)
[0038] 式中，是第j个车下吊挂设备的减振系统阻尼比，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。
[0039] 所述的步骤S4包括W下步骤：
[0040] 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；
[0041] 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。
[0042] 所述的步骤S4.1包括W下步骤：
[0043] S4.1.1，确定车下吊挂设备的减振系统垂向刚度kjv:
[0044]
(5)
[0045] 其中，η为车下吊挂设备吊挂点数；
[0046] S4.1.2,确定车下吊挂设备的减振系统横向刚度kjL:
[0047]
(6)c
[0048] 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：
[0049]
(7)
[0050] 其中，Cj为第j个车下吊挂设备的减振系统阻尼系数。
[0051] 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。
[0052] 与现有技术相比，本发明具有W下优点：
[0053] (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。
[0054] (2)可W实现对车体某一阶弹性模态振动的控制，也可W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。
[0055] (3)车体振动加速度频谱特性数据通过车辆W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。
[0056] (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。
[0057] (5)本发明控制方法简单，易于工程实现。
【附图说明】
[005引图1为本发明振动控制方法流程示意图；
[0059] 图2为本发明动车组车体与车下吊挂设备结构简化图；
[0060] 图3为本实施例中车体未施加振动控制时，车体中屯、位置垂向振动加速度频谱特 性示意图；
[0061] 图4为本实施例车体未施加振动控制时，车体中屯、位置横向振动加速度频谱特性 不意图；
[0062] 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；
[0063] 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；
[0064] 图7为本实施例车体施加本发明振动控制前后，车体中屯、位置垂向振动加速度频 谱特性对比图；
[0065] 图8为本实施例车体施加本发明振动控制前后，车体中屯、位置横向振动加速度频 谱特性对比图。
【具体实施方式】
[0066] 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W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。
[0067] 实施例
[0068] 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W下步骤：
[0069] 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W是某一阶模态，也可W是 某几阶模态。
[0070] 本步骤S1具体包括W下步骤：
[0071 ] 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；
[0072] 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禪合动力学模型并 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W实际最高运营速度或在固定区段 所期望的运营速度运行，采集车体中屯、位置及转向架上方车体距地板中屯、左侧Im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 体中屯、位置及转向架上方车体距地板中屯、左侧Im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。
[0073] 步骤S1.2中，车体振动加速度频谱特性数据通过车辆W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。
[0074] 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；
[00巧]步骤S2包括W下步骤：
[0076] 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，运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W保证对车体某些具有对称形式的弹性模态 振动控制效果；
[0077] 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。
[0078] 其中步骤S2.2包括W下步骤：
[0079] 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；
[0080] 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Mji;
[0081 ]
(1)
[0082] 其中：Amw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，Fi是车体第 i个振动控制目标模态频率，是在第j个车下吊挂设备安装位置处附加质量Amw后第i阶 车体振动控制目标模态频率；
[0083] 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；
[0084] 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。
[0085] 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；
[00化]步骤S3包括W下步骤：
[0087] 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；
[0088] 其中，步骤S3.1包括W下步骤：
[0089] 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；
(2)
[0090]
[0091] 其中是第j个车下吊挂设备的减振系统垂向固有频率，是第j个车下吊挂设 备的质量;Fiv是车体振动控制的第i阶车体垂向目标模态频率;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；
[0092] 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；
(3)
[0093]
[0094] 其中：f>是第j个车下吊挂设备的减振系统横向固有频率，Fil是车体振动控制的 第i阶车体横向目标模态频率。
[00M] 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):
[0096]
(4)
[0097] 式中，是第j个车下吊挂设备的减振系统阻尼比，是第j个车下吊挂设备的质 量，Mji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。
[0098] 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。
[0099] 步骤S4包括W下步骤：
[0100] 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；
[0101] 其中步骤S4.1包括W下步骤：
[0102] S4.1.1，确定车下吊挂设备的减振系统垂向刚度kjv:
[01 0引
（5)
[0104] 其中，η为车下吊挂设备吊挂点数；
[0105] S4.1.2,确定车下吊挂设备的减振系统横向刚度kjL:
[0106]
(6)。
[0107]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：
[010 引
（7)
[0109] 其中，cj为第j个车下吊挂设备的减振系统阻尼系数。
[0110] 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。
[0111] S5,将各车下吊挂设备与车体连接，实现对车体的振动控制。
[0112] 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。
[0113] 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。
[0114] 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。
[0115] 表1整备状态无吊挂的高速动车组车体模态分析结果
[0116]
[0117] 建立该高速动车组车辆刚柔禪合动力学模型并进行动力学分析，采集其车体地板 中屯、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W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7~12化频率范围 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，运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。
[0118] 采集的车体地板中屯、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 W看处，除低频的2HzW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，运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。
[0119] W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。
[0120] 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。
[0121] 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8.25化。
[0122] 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11.3細Z。
[0123] 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。
[0124] 依据式(5)，贝峭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。
[0125] 依据式(6)，贝峭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。
[0126] 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7.46X104N· s/m〇
[0127] 图7是未施加振动控制与施加本发明方法的振动控制时，车体地板中屯、位置处垂 向振动加速度频谱特性对比图。从图中可W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 %。
[0128] 图8是未施加振动与施加本发明控制方法的振动控制时，车体地板中屯、位置处横 向振动加速度频谱特性对比图。从图中可W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%。
[0129] 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。
【主权项】
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； 52, 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； 53, 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； 54, 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； 51.2, 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lm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lm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； 52.2.2, 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#;其中：Δπ^是在第j个吊挂设备安装位置处附加的集中单元质量，？1是车体第i个振动 控制目标模态频率，是在第j个吊挂设备安装位置处附加质量Am#后第i阶车体振动控 制目标t吴态频率； 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；其中：是第j个车下吊挂设备的减振系统垂向固有频率，1?是第j个车下吊挂设备的 质量;Fiv是车体振动控制的第i阶车体垂向目标模态频率;Mji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；其中是第j个车下吊挂设备的减振系统横向固有频率，Fa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):式中，ζ」是第j个车下吊挂设备的减振系统阻尼比，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kjv按照式(5)计算：减振系统横向刚度按照式(6)计算：式中，η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：式中，W为第j个车下吊挂设备的减振系统阻尼系数。
【文档编号】G05B13/04GK105824238SQ201610152566
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】宫岛, 周劲松, 杜帅妹, 孙文静, 孙煜, 夏张辉
【申请人】同济大学