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橡胶弹簧频变刚度特性及其对地铁车辆动力学性能的影响研究

作　者: 孟政
导　师: 罗世辉
学　校: 西南交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 地铁车辆一系悬挂橡胶弹簧动态刚度动力学
分类号: U270.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

当天然橡胶中增加碳黑等添加物质时,在剪切和压缩的时候,橡胶弹簧可实现较大的弹性,同时其特有的粘弹性又可消耗能量。橡胶材料这些特殊的超弹性特点,使橡胶弹簧广泛应用于机车车辆、船舶、汽车、仪表、航空及桥梁等领域,近年来也广泛用于地铁车辆转向架和高速动车转向架的一系悬挂。橡胶元件动刚度和静刚度存在一定差异,当元件振动频率较低时,可以看成是一个由刚度和阻尼组成的集中参数元件,主要由橡胶减振起作用,当元件工作频率较高时,刚度将显著增大,因此振动频率对橡胶弹簧的刚度值有显著影响。目前在机车车辆仿真计算中悬挂参数非线性特征主要是指悬挂力与位移或速度之间的非线性关系,如非线性弹簧力或非线性阻尼力,而很少考虑到悬挂元件刚度的频率非线性特性。以往的机车车辆动力学研究中很少关注到一系定位橡胶元件的非线性频变刚度,而一系定位刚度对车辆的动力学性能又有显著影响。本文以地铁车辆为应用背景,研究了一系悬挂橡胶弹簧元件的频率非线性刚度特性,及其对车辆动力学性能的影响,分以下几个部分进行论述：论述了地铁车辆动力学的特点,并对常见一系悬挂结构进行了分析。归纳了国内外对橡胶弹簧刚度的频率非线形特性的研究现状。论述了橡胶的基本力学特性以及常见的本构关系,并分析了橡胶弹簧在机车车辆应用中的非线性特点。针对某地铁车辆具体采用的锥形橡胶弹簧元件,计算了不同位移振幅下元件刚度的频率非线性特性。考虑了25mm振动位移、50mm设计最大位移两种工况,拟合出了橡胶弹簧刚度的频率非线性曲线。讨论了弹簧线性频变特性对一般机械振动系统的影响。在分析弹簧的频变刚度对振动系统的影响时,假设振动系统中的弹簧刚度具有线性变化的频变特性,依据这一动态刚度,首先推导了频变刚度对单自由度受迫振动系统振动的影响,然后推导了频变刚度对二自由度受迫振动系统的振动响应以及其幅频特性的影响,并进行了计算验证。将有限元计算得出的的一系定位橡胶元件非线性刚度特性综合到地铁车辆整车动力学计算模型中,研究其对车辆动力学性能的影响。对比分析了传统模型与考虑了橡胶弹簧频变刚度后车辆动力学性能之间的差异。通过动力学对比计算认为：一系定位橡胶弹簧刚度的频变特性对地铁车辆动力学性能具有较显著的影响,动力学计算分析时忽略这一效应将影响计算结果的准确性。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-11
第一章绪论  11-19
  1.1 工程背景及问题的提出  11-14
    1.1.1 地铁车辆动力学  11-12
    1.1.2 铁道车辆一系悬挂方式  12-14
    1.1.3 橡胶弹簧刚度的频率非线性特性  14
  1.2 国内外研究现状  14-17
    1.2.1 国外橡胶弹簧频率非线性研究  15-16
    1.2.2 国内橡胶弹簧频率非线性研究  16-17
  1.3 本文的主要工作及创新点  17-19
    1.3.1 主要工作  17-18
    1.3.2 本文的创新点  18-19
第二章橡胶弹簧力学性能概述  19-25
  2.1 橡胶的基本力学特性  19
  2.2 橡胶的本构关系  19-22
    2.2.1 高斯统计模型  21
    2.2.2 多项式形式本构模型  21-22
  2.3 橡胶弹簧在地铁车辆应用中的性能表现  22-25
    2.3.1 橡胶弹簧刚度的位移非线性特性  22-23
    2.3.2 多向刚度特性  23
    2.3.3 阻尼特性  23-24
    2.3.4 频变刚度特性  24-25
第三章橡胶弹簧频变刚度的计算  25-40
  3.1 LS-DYNA程序简介  25-29
    3.1.1 LS-DYNA的功能特点  25-27
    3.1.2 LS-DYNA接触碰撞的基本算法  27-28
    3.1.3 LS-DYNA接触碰撞的数值计算方法  28-29
  3.2 橡胶弹簧的有限元建模  29-31
    3.2.1 几何形状与参数  29
    3.2.2 有限元模型简化及材料参数设置  29-31
  3.3 橡胶弹簧冲击计算分析  31-38
    3.3.1 25mm冲击位移下刚度的频率非线性计算  31-35
    3.3.2 50mm冲击位移下刚度的频率非线性计算  35-38
  3.4 橡胶弹簧刚度的频率非线性曲线拟合  38-40
第四章弹簧刚度频变特性对机械振动系统的影响  40-54
  4.1 频变特性对单自由度振动系统影响分析  40-45
    4.1.1 无阻尼单自由度系统的自由振动  40-42
    4.1.2 无阻尼单自由度系统的受迫振动  42-43
    4.1.3 弹簧频变特性对单自由度受迫振动系统的影响分析  43
    4.1.4 求解实例  43-45
  4.2 频变特性对二自由度振动系统影响分析  45-53
    4.2.1 无阻尼二自由度系统的受迫振动  45-47
    4.2.2 弹簧频率特性对二自由度受迫振动系统的影响分析  47-49
    4.2.3 求解实例  49-53
  4.3 小结  53-54
第五章一系橡胶簧频变刚度对整车动力学影响分析  54-70
  5.1 频变刚度力元处理  54-55
    5.1.1 简述  54
    5.1.2 力元原理  54-55
  5.2 地铁车辆动力学模型  55-56
    5.2.1 弹簧频率非线性曲线的多项式拟合  55
    5.2.2 地铁车辆整车动力学模型  55-56
  5.3 频变特性对车辆动力学影响对比分析  56-69
    5.3.1 构架振动频谱图  56-57
    5.3.2 模态分析  57-58
    5.3.3 稳定性计算  58-59
    5.3.4 直线运行平稳性计算  59-61
    5.3.5 曲线通过性能  61-66
    5.3.6 整车磨耗性能  66-69
  小结  69-70
总结与展望  70-71
附表  71-73
  附表一:不考虑橡胶弹簧刚度频率非线性下车辆各模态列表  71-72
  附表二:考虑橡胶弹簧刚度频率非线性下车辆各模态列表  72-73
致谢  73-74
参考文献  74-77
攻读硕士期间发表的论文及参加的科研项目  77

橡胶弹簧频变刚度特性及其对地铁车辆动力学性能的影响研究

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