基于多体动力学理论的车辆主动悬挂的控制策略研究

论文摘要

悬挂系统是车辆动力系统的重要组成部分，性能良好的悬挂系统可以改善车辆的动态运行品质，特别是随着主动控制策略的介入，车辆悬挂系统从此发生了革命性的变化，实现了与现代控制策略和计算机信息技术的有机融合。然而，常规的基于主动悬挂的车辆系统动力学的研究通常是仅围绕着主动控制策略及车辆结构动力学的研究，理论研究的结果最终是要付诸于大量的物理试验来验证，这无疑增大了研发成本，也延缓了产业化进程。基于多体理论的数字化虚拟样机技术的发展及其在各行各业中的应用为主动悬挂车辆系统的快速设计、分析和优化提供了有力的工具。 本文在教育部重点基金的资助下，借助于多体理论的最新成果——虚拟样机技术，完成了主动悬挂车辆动力系统的设计、分析和研究，即将传统的主动悬挂的控制研究纳入到现代多体动力系统的设计方法中，以虚拟样机的形式来展现主动悬挂车辆系统在现在智能控制策略作用下的动态性能，并以全新的设计理念对主动悬挂的设计进行了新的构思和规划。 考虑车体轻量化是现代车辆发展的重要趋势，但车体轻量化后将会引起车辆在运行过程中的产生剧烈振动，严重地危害了车辆的运行品质，因此研究基于轻量化车体的车辆系统的动力学行为已成为刻不容缓的任务。为了适应这一发展要求，本文将刚性车体泛化为柔性车体，借助Craig-Bampton固定界面模态综合法的分析方法，利用功能强大的有限元分析软件ANSYS建立车体的有限元分析模型，同时利用ANSYS的内核将柔性车体转换为多体动力学分析软件ADAMS可以接受的模态中性文件格式，用以研究柔性车体在运行工况下的车体质心的垂／横动态响应，为优化车体结构提供技术支持。 为实现车辆主动控制的需要，本文建立了基于轨道谱的6自由度和9自由度的车辆垂向主动悬挂动力学的数学模型以及17自由度的车辆横向主动悬挂动力学的数学模型，并将轨道不平顺谱函数作为路面输入，建立了基于高速轨道谱输入的用于车辆主动悬挂动力学研究和分析的系统数学模型，同时，用数值模拟的方法得出了路面谱输入的时域函数关系。 在控制策略的研究中，本文设计了一种具有可调因子的模糊控制器，并进行了主动隔振的仿真研究。同时根据车辆自身的结构特点和路面信息的获取渠道，本文创新性地将最优预见控制划分为轴间预见

论文目录

• 摘要（中、英文）
• 第一章 绪论
• 1.1 车辆悬挂的发展历史及主动悬挂的研究现状
• 1.1.1 被动控制悬挂系统
• 1.1.2 主动控制悬挂系统
• 1.1.3 半主动控制悬挂系统
• 1.1.4 各种悬挂系统结构原理及特点
• 1.2 基于虚拟样机的铁道车辆主动悬挂的设计理念
• 1.2.1 虚拟样机技术的起源和发展
• 1.2.2 虚拟模型技术的应用
• 1.2.3 车辆虚拟样机的建模及其与ADAMS/control模块的数据交换
• 1.2.4 虚拟样机技术的理论基础
• 1.2.4.1 多体系统动力学概述
• 1.2.4.2 多体系统动力学的发展及研究方法
• 1.2.4.3 多柔体系统动力学的基本原理、研究方法及其工程应用
• 1.2.5 铁道车辆虚拟样机与现代主动控制技术的结合
• 1.3 研究的意义和目的
• 1.4 研究内容及主要章节
• 第二章 车辆系统的动力学模型
• 概述
• 2.1 随机轨道随机不平顺谱函数的确定
• 2.1.1 几种轨道随机不平顺的分类
• 2.1.2 轨道随机不平顺的数值模拟方法
• 2.1.3 两种典型的轨道谱
• 2.1.4 高速轨道谱的数值模拟
• 2.2 基于轨道谱的车辆系统动力学建模
• 2.2.1 主动悬挂车辆系统垂向动力学模型
• 2.2.1.1 6自由度车辆动力学模型
• 2.2.1.2 9自由度车辆动力学模型
• 2.2.2 17自由度主动悬挂车辆系统横向动力学模型
• 2.3 本章结论
• 第三章 主动隔振的控制策略及其数字仿真研究
• 概述
• 3.1 智能模糊逻辑控制研究
• 3.1.1 模糊控制器的一般设计方法
• 3.1.2 模糊控制算法的设计
• 3.1.3 一类可调模糊控制器的设计
• 3.1.3.1 模糊规则可调因子的确定
• 3.1.4 仿真研究及结果分析
• 3.2 最优控制策略研究
• 3.2.1 主动悬挂的LQG控制
• 3.2.2 仿真研究及结果分析
• 3.3 两种预见控制策略研究
• 3.3.1 轴外预见控制
• 3.3.2 仿真研究及结果分析
• 3.3.3 轴间预见控制
• 3.3.4 仿真研究及结果分析
• 3.4 混合智能控制策略研究
• 3.4.1 仿真研究及结果分析
• 3.5 本章结论
• 第四章 基于多柔体理论的柔性车体模型的建立
• 概述
• 4.1 多柔体系统动力学的理论基础
• 4.1.1 Craig-Bampton固定界面模态综合法
• 4.1.1.1 子结构的划分
• 4.1.1.2 模态集的构造
• 4.1.1.3 对各子结构作模态坐标变换
• 4.1.1.4 第二次坐标变换
• 4.1.1.5 第三次坐标变换
• 4.1.2 构件的模态振型叠加原理
• 4.2 柔性车体模型的建立
• 4.2.1 车体有限元模型的模态分析计算
• 4.3 本章结论
• 第五章 车辆主动悬挂的虚拟样机实现
• 概述
• 5.1 虚拟样机设计方法的优越性分析
• 5.2 应用 ADAMS软件进行动态仿真分析理论基础
• 5.3 刚性车体的主动悬挂车辆系统虚拟样机
• 5.3.1 ADAMS/Rail概述
• 5.3.2 ADAMS/Rail中轮/轨关系的定义方法
• 5.3.3 刚性车体的车辆主动悬挂系统虚拟样机运行平稳性研究
• 5.3.3.1 线路特征及复合路面谱的形成
• 5.3.3.2 虚拟样车试验及结果分析
• 5.4 刚/柔耦合主动悬挂车辆系统虚拟样机
• 5.4.1 车体结构优化和轻量化的可行性研究
• 5.4.2 刚/柔性车体的车辆系统运行平稳性对比分析
• 5.4.3 刚/柔耦合系统的求解方法
• 5.4.4 刚/柔耦合车辆系统动力学建模机理
• 5.4.5 刚/柔体耦合车辆系统虚拟样机
• 5.4.6 刚/柔耦合虚拟样车试验及其结果分析
• 5.5 本章结论
• 第六章 车辆主动悬挂的实验研究
• 概述
• 6.1 模拟试验台试验研究
• 6.1.1 试验内容及目的
• 6.1.2 模拟试验结果及其分析
• 6.2 整车台架实验研究
• 6.2.1 试验内容及目的
• 6.2.2 实车试验结果及其分析
• 6.2.3 本章结论
• 第七章 全文结论与展望
• 7.1 全文结论及创新
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间取得的成果及公开发表的学术论文
• 致谢