基于智能驾驶电动汽车的多车?桥梁耦合系统动力学特性研究

迫于能源和环保问题的压力, 电动汽车及智能驾驶受到了各国高度重视. 轮毂电机驱动电动汽车车轮振动剧烈, 与桥梁路面动力学相互作用更加突出, 现有研究主要针对传统汽车, 关于电动车轮与公路桥梁接触动力学相互作用及智能驾驶车队的多车?桥梁耦合作用研究尚不多见. 本文以轮毂电机驱动电动汽车为研究对象, 考虑车轮和桥面多点接触关系, 研究了两个智能驾驶汽车过桥时的车桥耦合动力学特性. 分析了电机质量、电机激励、轮胎悬架刚度非线性、车距、车速对系统振动特性的影响, 以及桥面不平顺激励、三重耦合激励对电动汽车平顺性的影响. 研究表明: 车距和车速是影响车?桥系统振动特性的重要因素, 在车?桥耦合动态设计中, 车距和车速的影响应重点关注; 桥面越平坦, 电机激励及桥面二次激励对车辆平顺性和道路友好性影响越加显著, 当汽车行驶在平坦桥面时两种激励对轮毂电机驱动电动汽车的影响不容忽视. 所建模型有望为智能驾驶电动汽车与桥梁的耦合作用研究提供理论参考.      

人车路系统三维耦合振动分析及舒适度评价

基于将车身视作三维弹性梁、车轮为刚性体的全车模型,人体采用坐姿并联动力模型,路面简化成Kelvin地基上的板,通过轮胎的刚性滚子接触模型将车辆与路面耦合在一起,建立起考虑人车、车路耦合作用的用于评价车辆乘坐舒适度的三维人车路耦合系统振动模型,并推导出其运动平衡方程;通过Galerkin法对路面方程进行离散,采用New-mark积分法对耦合系统方程组进行求解,对人车路系统振动响应进行了分析;采用人体加权振动加速度均方根值对车辆乘坐舒适度进行评价,并对系统各参数对车辆乘坐舒适度的影响进行探讨.数值分析表明:传统模型下车辆乘坐舒适度指标与本文模型的指标相差最高可达到约30％;在分析车辆振动响应及乘坐舒适度时,不能忽视车辆与路面、人体与车辆相互作用,系统各参数对车辆乘坐舒适度都有一定程度的影响.     

车辆各轮相干桥面不平顺激励的车桥耦合振动

根据车辆左右轮的互功率谱密度和相干函数,推导了左右轮桥面不平顺特性中对应相位角的相干关系,提出了采用相位角相干生成车辆各轮相干桥面不平顺激励的方法,并通过数值算例验证了该生成方法的可靠性.工程应用结果表明,车辆各轮相干桥面不平顺激励增大了桥梁、车辆竖向和车辆俯仰角的振动响应,但降低了车辆侧倾角的振动响应;不同相干函数模型对桥梁振动响应影响较小,但对车辆振动响应影响较大;同一相干函数模型,桥梁振动响应随着相干强度的增大而增大,但车辆振动响应随着相干强度的增大而减小;研究桥面不平顺随机激励对车桥耦合系统振动响应的影响有必要考虑车辆各轮的相干关系.     

简谐荷载作用下弹性地基上不可伸长梁的2次超谐共振响应研究

基于已建立的弹性地基上不可伸长梁的非线性动力学模型,利用梁的量纲归一化运动方程和多尺度方法求得梁2次超谐共振的幅频响应方程和位移的二次近似解。进而,运用梁的幅频响应曲线对其超谐共振响应特性进行研究,同时分析了弹性地基模型、Winkler参数、外激励幅值、边界条件等对该共振响应的影响效应。结果表明:弹性地基模型中剪切参数的引入增大了梁2次超谐共振响应的幅值和多值区域;弹性地基Winkler参数的增加会抑制系统的共振响应,但同时会增加系统动力响应的软弹簧特性;在外激励幅值较小的情况下,系统共振响应未展现出明显的非线性特征;边界约束对弹性地基剪切参数作用于梁2次超谐共振响应的效应有显著影响,可在一定程度上改变系统响应幅值及多值区域。     

非线性弹性地基梁在随动载荷作用下的屈曲和振动

基于可伸长梁的几何非线性理论,建立了非线性弹性地基上梁在随动载荷作用下的屈曲问题和振动问题控制方程,分别采用打靶法分析了弹性地基梁的后屈曲行为以及后屈曲构形上的振动问题。给出了不同非线性弹性地基系数下,梁在随动载荷作用下的过屈曲平衡路径曲线以及过屈曲附近前三阶频率随载荷变化的曲线。研究表明:立方刚度系数K_2对梁的屈曲和振动影响较小,而线性刚度系数K_1对梁的过屈曲性态和固有频率都有影响。     

基于逆虚拟激励法的垂向轨道不平顺功率谱识别

提出一种识别轨道垂向不平顺功率谱的新方法.采用定点激励的垂向车辆-板式轨道耦合动力学模型.车辆简化为多刚体模型,板式轨道考虑为3层梁模型,并通过线性轮轨力耦合车辆模型和轨道模型.以轴箱加速度作为测量对象,采用逆虚拟激励法识别垂向轨道不平顺的功率谱,并研究了测量误差和车辆运行速度对垂向轨道不平顺的识别精度的影响.数值结果表明,本文方法能够较为准确地识别垂向轨道不平顺功率谱,为列车运行环境载荷识别与评估提供了新的途径.     

CALCULATION OF DYNAMIC LOAD IMPACT OF BIMODULOUS BEAM WITH CONSIDERATION OF SHEAR EFFECT AND DAMPING

在考虑剪切效应及阻尼的基础上,采用线性振动理论研究了双模量梁动载荷问题的冲击计算. 建立了双模量梁动载荷问题的振动微分方程,推导出了双模量梁动载荷问题的动位移、动载荷系数、冲击时间的表达式,并讨论分析了剪切效应及阻尼对双模量梁动载荷冲击问题的影响. 算例分析表明,对于某些双模量梁动载荷冲击问题,剪切效应及阻尼的影响是不能忽略的.     

具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学行为研究

弹性梁结构作为一种基本单元被广泛于建筑、航空、航天、船舶等工程领域. 为有效降低弹性梁结构的振动水平, 深刻理解其振动特性、动力学行为显得尤为重要. 本文建立了具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学分析模型, 并采用伽辽金截断法预报梁结构的动力学响应. 在伽辽金截断法的求解过程中, 选取具有弹性边界约束的轴向载荷梁结构的模态振型函数作为伽辽金截断法的试函数与权函数. 首先, 研究截断数对伽辽金截断法稳定性的影响, 并采用谐波平衡法研究伽辽金截断法的可靠性. 在此基础上, 研究谐波激励扫频方向、非线性支撑参数对具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学响应的影响规律. 研究结果表明, 具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构的动力学响应具有初值敏感性且非线性支撑参数对梁结构动力学响应的影响显著. 相关非线性支撑参数使得梁结构出现复杂动力学行为. 合适的非线性支撑参数能够抑制具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构的复杂动力学行为并对梁结构边界处的减振具有有益效果.      

FREE VIBRATION OF A SIMPLY SUPPORTED BEAM UNDER A NON-CONSERVATIVE DISTRIBUTED LOAD

对受非保守载荷的简支梁在后屈曲附近的自由振动进行了研究. 基于可伸长梁的大变形理论,建立了受沿轴线分布切向非保守力作用的简支梁后屈曲附近自由振动的几何非线性模型. 在小振幅和谐振动假设下,简化得到后屈曲梁线性振动的控制方程. 采用打靶法求解振动问题的控制方程,给出了前三阶固有频率与载荷之间的特征关系曲线. 结果表明：非保守载荷作用下梁的振动响应与保守载荷作用下梁的振动响应有着明显不同.     

轮胎非线性对汽车悬架系统的影响

本文首次运用现代非线性动力学与分岔理论对采用轮胎非线性模型的汽车悬架运动特性进行了研究。并仿真比较了轮胎线性悬架模型和非线性模型对路面激励的响应。结果表明轮胎的非线性特性对汽车悬架的动力学特性有很大影响,在一定条件下产生了Hopf分岔,并求出了产生Hopf分岔的条件。     

汽车行驶诱发地表振动的解析研究

本文从汽车动力学出发,建立 1/4 汽车与半空间地基耦合振动的动力学模型,并采用弹性滚子接触模型来反映轮胎包容性. 模型中同时考虑轮-地之间的纵向和竖向作用力,构建系统动力控制方程,利用 Fourier 和 Laplace 积分变换进行求解,推导出地表振动位移的解析解. 在数值算例中,利用离散傅里叶逆变换和 Crump 法进行数值反演,得出地表振动位移的空间分布,由此讨论了轮胎着地长度和轮-地相互作用力的变化规律,并对地表振动位移的参数影响作出分析. 结果表明,地面不平度对轮-地之间作用力的影响最为显著,地面越不平顺则轮-地作用力和地表振动位移越大. 车速对轮-地作用力的大小影响有限,但对载荷激励频率影响较大,车速增大则激励频率增大,地表振动位移随之增大. 在较低车速时,轮胎包容性对轮-地作用力和地表振动产生一定影响,轮胎充气压力增大,轮-地作用力和地表振动位移增大,但随着车速升高,这种影响将逐渐消失.      

ANALYTICAL STUDY ON GROUND VIBRATION INDUCED BY MOVING VEHICLE 1)

本文从汽车动力学出发,建立 1/4 汽车与半空间地基耦合振动的动力学模型,并采用弹性滚子接触模型来反映轮胎包容性. 模型中同时考虑轮-地之间的纵向和竖向作用力,构建系统动力控制方程,利用 Fourier 和 Laplace 积分变换进行求解,推导出地表振动位移的解析解. 在数值算例中,利用离散傅里叶逆变换和 Crump 法进行数值反演,得出地表振动位移的空间分布,由此讨论了轮胎着地长度和轮-地相互作用力的变化规律,并对地表振动位移的参数影响作出分析. 结果表明,地面不平度对轮-地之间作用力的影响最为显著,地面越不平顺则轮-地作用力和地表振动位移越大. 车速对轮-地作用力的大小影响有限,但对载荷激励频率影响较大,车速增大则激励频率增大,地表振动位移随之增大. 在较低车速时,轮胎包容性对轮-地作用力和地表振动产生一定影响,轮胎充气压力增大,轮-地作用力和地表振动位移增大,但随着车速升高,这种影响将逐渐消失.     

Interaction of subway LIM vehicle with ballasted track in polygonal wheel wear development

This paper develops a coupled dynamics model for a linear induction motor (LIM) vehicle and a subway track to investigate the influence of polygonal wheels of the vehicle on the dynamic behavior of the system. In the model, the vehicle is modeled as a multi-body system with 35 degrees of freedom. A Timoshenko beam is used to model the rails which are discretely supported by sleepers. The sleepers are modeled as rigid bodies with their vertical, lateral, and rolling motions being considered. In order to simulate the vehicle running along the track, a moving sleeper support model is introduced to simulate the excitation by the discrete sleeper supporters, in which the sleepers are assumed to move backward at a constant speed that is the same as the train speed. The Hertzian contact theory and the Shen- Hedrick-Elkins’ model are utilized to deal with the normal dynamic forces and the tangential forces between wheels and rails, respectively. In order to better characterize the linear metro system (LMS), Euler beam theory based on modal superposition method is used to model LIM and RP. The vertical electric magnetic force and the lateral restoring force between the LIM and RP are also taken into consideration. The former has gap-varying nonlinear characteristics, whilst the latter is considered as a constant restoring force of 1 kN. The numerical analysis considers the effect of the excitation due to polygonal wheels on the dynamic behavior of the system at different wear stages, in which the used data regarding the polygonal wear on the wheel tread are directly measured at the subway site.     

基于轮胎非线性特性的汽车动力学问题

长期以来,人们对轮胎的非线性进行了大量的理论与试验研究,总结出各种理论模型与经验模型。利用这些非线性轮胎模型建立汽车动力学的非线性常微分方程组,通过数值积分,可以获得汽车在各种工况条件下的稳态与瞬态转向特性。但这些模型的普遍缺点是不能用于对汽车行驶的稳定性作定性分析。本文提出了一种轮胎非线性侧特性的摄动模型,利用近似解析方法,讨论了轮胎非线性特性对汽车的转向特性、动态响应和汽车行驶稳定性的影响,导     

Mechanism analysis and optimum control of negative airgap eccentricity effect for in-wheel switched reluctance motor driving system

In this paper, the generation mechanism of the negative airgap eccentricity effect for the in-wheel switched reluctance motor (SRM) driving system is analyzed. An independent current chopping control strategy is proposed to achieve optimum control between the response characteristic of the in-wheel motor driving system and the dynamic performance of electric vehicle (EV). Firstly, the electromagnetic characteristic of the studied SRM under airgap eccentricity is studied based on electromagnetic coupling model and circuit driving equation, and the radial electromagnetic force under different airgap eccentricity is verified by adopting the built experiment device. Then, combined with the excitation characteristics of the radial electromagnetic force, the negative dynamic effect of the in-wheel motor driving system is analyzed in the time–frequency domain. Finally, an independent current chopping control strategy for the in-wheel SRM driving system based on vehicle vibration feedback is proposed. The controller parameters including the turn-off angle and chopping current threshold are optimized by data interpolation. Results show that the proposed control strategy can achieve the optimum control between the response characteristics of the in-wheel motor driving system and the vehicle dynamic performance, especially to suppress the vehicle sprung mass acceleration and tire bounce while starting EV.

     

线形?拱形组合梁式三稳态压电俘能器动力学特性研究

利用振动能量俘获技术将设备工况振动能转化为电能, 为实现煤矿井下无线监测节点自供电提供了新的思路. 通过引入非线性磁力设计了一种线形?拱形组合梁式三稳态压电俘能器, 分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对动力学特性的影响规律. 利用磁偶极子法建立磁力模型, 通过实验测量线形?拱形组合梁的恢复力, 并采用多项式拟合得到恢复力模型, 基于欧拉?伯努利梁理论和拉格朗日方程建立系统的动力学模型, 从时域角度仿真分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对系统动力学特性的影响规律. 研制线形?拱形组合梁式三稳态压电俘能器样机并搭建实验平台进行实验研究, 通过采集组合梁末端响应速度数据, 验证了理论分析的正确性. 研究表明: 引入非线性磁场能够使系统势能呈现单势阱、双势阱或三势阱, 激励一定时, 调整磁铁水平间距和垂直间距能够使系统实现单稳态、双稳态或三稳态运动, 且在三稳态运动时响应位移较大, 增大激励水平有利于系统越过势垒实现大幅响应. 研究为线形?拱形组合梁式三稳态压电俘能器的设计提供了理论指导.      

基于分数阶磁流变液阻尼器模型的车辆悬架组合控制

磁流变液阻尼器的分数阶Bingham模型结构形式简单, 而且可以更好地描述系统的滞回特性. 建立了含有分数阶Bingham模型的单自由度1/4车辆悬架系统模型, 利用磁流变液阻尼器对在路面简谐激励下的非线性车辆悬架系统进行振动控制. 研究了含有分数阶Bingham模型的悬架系统在天棚阻尼半主动控制下的主共振响应, 利用平均法得到了系统的近似解析解. 求解了系统定常解的幅频响应方程, 并根据李雅普诺夫稳定性理论得到了悬架系统的稳定性条件. 通过绘制数值解和解析解的幅频响应曲线对比图, 验证了近似解析解的正确性. 利用簧载质量垂直方向的加速度均方根值分析了半主动控制对车辆乘坐舒适性的影响, 发现天棚阻尼半主动控制策略在低频激励区域反而会降低车辆的乘坐舒适性. 因此提出了一种被动控制与半主动控制相结合的组合控制策略, 并分析了半主动控制参数对振动控制效果的影响. 分析结果表明, 该组合控制策略不但能够提高车辆的乘坐舒适性, 而且能有效抑制悬架系统的主共振振动幅值.