论文题目: 常导高速磁浮列车车轨耦合非线性动力学问题研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 控制科学与工程
作者: 施晓红
导师: 常文森
关键词: 高速磁浮列车,转向架,车轨耦合,渐近稳定,自激振动,非线性振动
文献来源: 国防科学技术大学
发表年度: 2005
论文摘要: 车轨耦合振动是导致磁浮线路标准高、投入大的主要原因之一,对车轨耦合振动特性进行深入研究对磁浮交通技术的推广应用有着重要意义。本文选择高速磁浮列车系统悬浮方向的车轨耦合动力学特性作为研究对象,分析车轨耦合动力学的两个基本问题:系统渐近稳定性和车轨耦合振动特性,重点研究控制、结构和各种耦合参数与这两项系统特性的关系,目的在于寻找车轨耦合振动的规律,为轨道、车辆结构和控制器设计提供参考。本文采用循序渐进的结构,从一维结构的单点悬浮控制系统分析入手,进而研究二维平面结构的双控制器耦合电磁铁模块悬浮控制系统,最后分析三维空间结构的四控制器耦合单转向架悬浮控制系统。针对一维单点问题,给出了双环PID控制算法,研究了单点悬浮控制系统的渐近稳定性、Hopf分岔点附近的振动特性和非线性振动的幅频特性。在此基础上研究二维电磁铁模块系统的弹性结构耦合因素,分析渐近稳定条件下耦合系数与其它系统参数的制约关系,考察耦合参数对车轨耦合振动幅频特性的影响。为了能够进行三维单转向架系统的分析,本文采用固定界面模态综合超单元方法,建立了两种基于复杂弹性结构的转向架超单元模型。最后利用仿真方法研究了直线段单转向架悬浮控制系统的悬浮稳定性,以及转向架系统在钢轨和砼轨两种缓和曲线段运行的动态响应情况。本文在高速磁浮车轨耦合动力学研究的以下几个方面有所创新:①将高速磁浮车轨耦合悬浮控制系统划分为单点、悬浮电磁铁模块和单转向架三个层次,降低了动力学分析难度;②给出了轨道耦合和悬浮电磁铁耦合与系统渐近稳定性的关系,说明了系统结构、控制和耦合参数对稳定性的影响;③推导出了两种车轨耦合振动的条件和动态特性:a)动态Hopf分岔振动;b)轨道自由振动与车辆结构自激振动产生的耦合振动;④建立了采用弹性解耦方式的复杂转向架降阶模型,验证了高速磁浮转向架结构在不同轨道条件下的缓和曲线通过能力,可以作为转向架结构设计的参考。
论文目录:
摘要
ABSTRACT
名词索引
第一章 绪论
1.1 课题研究的工程背景介绍
1.1.1 高速磁浮列车技术的发展概况
1.1.2 高速磁浮列车系统结构
1.1.3 高速磁浮列车技术国产化的必要性
1.1.4 车轨耦合振动问题的研究意义
1.2 磁浮车轨耦合系统动力学特性的研究现状
1.2.1 悬浮控制算法的研究现状
1.2.2 耦合系统动态特性分析的研究现状
1.2.3 系统非线性力学特性的研究现状
1.2.4 磁浮车轨耦合系统动力学特性研究现状总结
1.3 转向架耦合特性的研究现状
1.3.1 转向架结构的形成及作用
1.3.2 转向架的建模与动态特性分析现状
1.3.3 复杂弹性结构的动力学建模分析现状
1.3.4 转向架耦合特性研究现状总结
1.4 本文研究内容与内容安排
1.4.1 本文研究内容
1.4.2 本文内容安排
第二章 单点悬浮控制系统的特性分析与仿真
2.1 单点悬浮控制系统基本结构与建模
2.1.1 单点悬浮控制系统的基本结构
2.1.2 单点悬浮机系统动力学模型
2.2 单点刚性悬浮控制系统的动态特性分析
2.2.1 双环PID控制算法设计
2.2.2 单点刚性悬浮控制系统建模
2.2.3 单点刚性悬浮控制系统的渐近稳定性分析
2.2.4 单点刚性悬浮控制问题的临界稳定性分析
2.2.5 单点刚性悬浮控制系统的非线性振动分析
2.2.6 单点刚性悬浮控制系统仿真
2.3 单点车轨耦合悬浮控制系统建模
2.3.1 基于均布电磁力的弹性轨道模型
2.3.2 单点车轨耦合悬浮控制系统模型
2.4 单点车轨耦合悬浮控制系统动态特性分析
2.4.1 单点车轨耦合悬浮控制系统的渐近稳定性分析
2.4.2 单点车轨耦合悬浮控制系统的非线性振动分析
2.4.3 单点车轨耦合悬浮控制系统的数值仿真分析
2.5 小结
第三章 电磁铁模块悬浮控制系统的特性分析与仿真
3.1 电磁铁模块悬浮控制系统结构与建模
3.1.1 简化电磁铁模块悬浮控制系统结构
3.1.2 电磁铁模块悬浮控制系统模型
3.2 电磁铁模块悬浮控制系统动态特性分析
3.2.1 电磁铁模块悬浮控制系统的渐近稳定性条件
3.2.2 电磁铁模块悬浮控制系统的非线性振动分析
3.3 电磁铁模块悬浮控制系统动态响应仿真
3.4 高速悬浮电磁铁耦合参数的有限元计算
3.5 小结
第四章 基于弹性结构的转向架建模
4.1 高速磁浮列车转向架结构
4.2 固定界面模态综合超单元建模方法
4.2.1 模态综合超单元方法概述
4.2.2 整体结构的剖分和子结构分析
4.2.3 子结构的模态分析与综合
4.2.4 超单元的变换与组装
4.3 转向架超单元建模方法与步骤
4.3.1 转向架超单元模型建立方法概述
4.3.2 转向架的一级超单元模型
4.3.3 转向架的二级超单元模型
4.3.4 转向架降阶动力学模型提取与生成
4.4 转向架降阶模型精度验证
4.4.1 有限元模型的实验验证
4.4.2 降阶模型的仿真验证
4.5 多控制器耦合的单转向架悬浮系统建模
4.6 小结
第五章 转向架悬浮控制系统的特性分析与仿真
5.1 转向架悬浮控制系统直线段的动态特性仿真
5.1.1 转向架位移解耦能力验证
5.1.2 转向架力耦合参数计算
5.1.3 转向架悬浮控制系统的仿真分析
5.2 转向架与缓和曲线的动力学约束关系
5.3 转向架悬浮控制系统在缓和曲线段的动态特性仿真
5.3.1 转向架在缓和曲线段的力耦合系数计算
5.3.2 钢轨悬浮控制系统动态响应仿真
5.3.3 砼梁悬浮控制系统动态响应仿真
5.4 小结
第六章 总结与展望
6.1 全文总结
6.2 研究展望
致谢
参考文献
附录：作者在攻读博士学位期间发表的论文和参加的研究工作
发布时间: 2006-09-14
参考文献
- [1].常导型高速磁浮列车电磁系统的研究[D]. 陈棣湘.国防科学技术大学2005
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