高速列车悬挂橡胶关节优化设计

本文针对高速列车橡胶关节进行优化设计，研究高速列车转向架橡胶关节的动态特性，并基于此展开了对高速列车系统振动能量传递的影响规律研究，以此实现对高速列车转向架橡胶关节参数的多目标优化设计研究。

1) 理论创新： - 建立高速列车转向架橡胶关节理论分析与预测模型，该模型综合考虑橡胶材料的预载、频变和幅变特性； - 掌握预加载荷、激振频率和振动幅值对高速列车转向架橡胶关节动刚度的影响规律； - 提出高速列车转向架橡胶关节设计方法，基于多目标协同优化设计方法提出的橡胶关节设计参数既要保证高速列车动力学性能要求，也要满足有效隔离轮轨中高频振动的功效。

2) 应用与技术创新： - 本项目拟首次实现基于动力学仿真、多目标协同优化设计方法、新型材料制造的高速列车橡胶关节产品设计及其产业化应用； - 通过搭建橡胶节点动态特性试验台，利用橡胶关节动态试验，研究橡胶节点的频率、振幅相关性，得到高速列车橡胶节点动态行为下的悬挂参数； - 基于高速列车橡胶节点动态特性试验，得到橡胶节点动态刚度具有明显的频变特性及幅变特性，获得高速列车橡胶节点动态行为下的悬挂参数； - 基于橡胶材料的频率、振幅相关性特征及动态试验数据，建立基于超弹性单元、粘性单元及摩擦单元相叠加的橡胶关节动刚度理论分析模型，能够准确反映橡胶节点的频率及振幅相关性； - 在车辆-轨道耦合大系统环境下，建立高速列车系统振动能量传递时域预测模型； - 建模考虑：①车辆系统部件的柔性振动，轮对、构架与车体结构均用三维实体有限元模拟；②关键悬挂元件（包括橡胶弹性关节）的动态非线性特性；③轨道结构柔性振动对轮轨耦合作用的影响； - 基于高速列车系统振动能量传递的时域仿真预测，研究轴箱转臂、牵引拉杆及液压减振器橡胶关节的预载、频变和幅变特性与高速列车转向架悬挂系统中高频振动传递率与隔振效率之间的关系规律，明确各悬挂部件橡胶关节性能参数对高速列车系统中高频振动能量传递特性的影响程度； - 基于高速列车系统动力学及振动能量传递的仿真分析，以车辆动力学性能指标和转向架悬挂系统隔振效率为优化目标，选取轴箱转臂、牵引拉杆及液压减振器橡胶关节性能、材料及结构参数为优化变量，采用多目标遗传优化算法对高速列车的运行稳定性、安全性和乘坐舒适性及悬挂系统隔振效果进行多目标优化分析； - 根据优化结果，提出既能保证高速列车动力学性能要求，也能有效隔离轮轨中高频振动的转向架悬挂系统橡胶关节参数的优选范围，为高速列车转向架系统的减振优化设计提供理论依据。

本文针对高速列车橡胶关节进行优化设计,研究高速列车转向架橡胶关节动态特性,并基于此展开了对高速列车系统振动能量传递的影响规律研究,以此实现对高速列车转向架橡胶关节参数多目标优化设计研究。1)理论创新。建立高速列车转向架橡胶关节理论分析与预测模型,该模型综合考虑橡胶材料的预载、频变和幅变特性;掌握预加载荷、激振频率和振动幅值对高速列车转向架橡胶关节动刚度的影响规律。提出高速列车转向架橡胶关节设计方法,基于多目标协同优化设计方法提出的橡胶关节设计参数既要保证高速列车动力学性能要求,也要满足有效隔离轮轨中高频振动的功效。（2）应用与技术创新。本项目拟首次实现基于动力学仿真、多目标协同优化设计方法、新型材料制造的高速列车橡胶关节产品设计及其产业化应用。本项目通过搭建了橡胶节点动态特性试验台,利用橡胶关节动态试验,研究橡胶节点的频率、振幅相关性,得到高速列车橡胶节点动态行为下的悬挂参数。基于高速列车橡胶节点动态特性试验,得到橡胶节点动态刚度具有明显的频变特性及幅变特性,获得高速列车橡胶节点动态行为下的悬挂参数。基于橡胶材料的频率、振幅相关性特征及动态试验数据,建立基于超弹性单元、粘性单元及摩擦单元相叠加的橡胶关节动刚度理论分析模型,能够准确的反映橡胶节点的频率及振幅相关性。在车辆-轨道耦合大系统环境下,建立高速列车系统振动能量传递时域预测模型。建模考虑：①车辆系统部件的柔性振动,轮对、构架与车体结构均用三维实体有限元模拟;②关键悬挂元件（包括橡胶弹性关节）的动态非线性特性;③轨道结构柔性振动对轮轨耦合作用的影响。基于高速列车系统振动能量传递的时域仿真预测,研究轴箱转臂、牵引拉杆及液压减振器橡胶关节的预载、频变和幅变特性与高速列车转向架悬挂系统中高频振动传递率与隔振效率之间的关系规律,明确各悬挂部件橡胶关节性能参数对高速列车系统中高频振动能量传递特性的影响程度。基于高速列车系统动力学及振动能量传递的仿真分析,以车辆动力学性能指标和转向架悬挂系统隔振效率为优化目标,选取轴箱转臂、牵引拉杆及液压减振器橡胶关节性能、材料及结构参数为优化变量,采用多目标遗传优化算法对高速列车的运行稳定性、安全性和乘坐舒适性及悬挂系统隔振效果进行多目标优化分析;根据优化结果,提出既能保证高速列车动力学性能要求,也能有效隔离轮轨中高频振动的转向架悬挂系统橡胶关节参数的优选范围,为高速列车转向架系统的减振优化设计提供理论依据。