基于动力学模型与参数优化的ISD悬架结构设计及性能分析

为寻找结构简单、性能优越的悬架结构(Inerter-Spring-Damper,ISD),对储能元件、支撑元件及耗能元件按不同位置构建21种工程上可行的拓扑结构,建立通用动力学模型。以簧上质量加速度及轮胎动载为目标进行优化,获得每种结构的元件参数。与传统悬架对比发现有12种新型结构性能优于传统悬架。对典型结构分析表明,动力学建模与参数优化方法在ISD悬架设计中具有一般性、通用性。     

基于惯容器-弹簧结构体系的车辆悬架结构设计与试验

为进一步拓宽应用惯容器的车辆悬架结构设计思路,基于"惯容器-弹簧-质量"系统反共振,以并联的"惯容器-弹簧"二元件为结构基础构建两种不同车辆ISD悬架结构。通过遗传优化算法获得悬架结构参数,在频域范围内对比分析传统被动悬架及Ⅰ、Ⅱ型悬架系统性能。结果表明,所建悬架结构可有效抑制车身偏频处振动。对性能较优Ⅱ型悬架进行试验研究,搭建含Ⅱ型悬架结构的车辆四分之一悬架试验台架,在随机路面输入下对悬架平顺性评价指标定量分析。悬架动行程均方根值提升16.24%,轮胎动载荷均方根值提升6.75%,车身加速度均方根值略有改善。表明该悬架结构能有效改善车辆的行驶平顺性与操纵稳定性。     

惯性圆锥破碎机动平衡特性研究EI北大核心CSCD

惯性圆锥破碎机的物料作用及其惯性力等交变载荷会引起机壳、主轴等构件的耦合振动,影响破碎机性能与寿命。应用反相双激原理,设计了一种具有完全动平衡并能提供更大破碎力的新型惯性圆锥破碎机;基于多体动力学与离散元耦合模型,提出了反相双激振器破碎机动力学仿真及试验验证的系统分析方法。通过仿真分析与样机试验,验证了耦合模型的有效性及该新型破碎机具有更好减振和破碎力增益效果。研究了定锥质量和动锥等激振机构质量对整机振动和破碎力的影响,其结果表明:该反相动平衡惯性圆锥破碎机能使定锥减重59%且动锥等激振机构减重24%。     

基于粒子群算法的重型车辆悬架路面友好性非线性优化EI北大核心CSCD

针对重型车辆悬架系统的非线性优化问题,提出了采用粒子群算法进行悬架系统优化设计方法。以四分之一汽车模型为研究对象,以车轮最大动载荷最小化为目标,以非簧载质量的固有频率为约束条件,建立了改善被动悬架系统性能的优化模型。通过粒子群算法求解该优化问题,以少量的迭代次数得到了性能优良的悬架参数,如悬架刚度和悬架阻尼。对设计的悬架系统进行时域和频域性能分析,并详细讨论了该方法与遗传算法优化的本质区别,结果表明,粒子群算法可以快速地得到一个较好的优化结果,这为设计人员后续的修改设计提供重要参数,同时为解决含有非线性问题的新型悬架系统优化设计提供了一种新的可行方法。     

基于路面识别的电磁混合式悬架自适应模糊控制EI北大核心CSCD

为改善不同路面等级上主动悬架动态性能与馈能特性适应性差的问题,设计了一种基于路面等级识别的电磁混合式悬架自适应模糊控制。采用天牛须搜索(beetle antennae search, BAS)算法优化了神经网络权值阈值,建立了BAS-BP(beetle antennae search-back propagation)路面识别模型;设计了自适应模糊PID(proportional integral derivative)控制器,针对不同路面等级设计了三种目标函数并引入了主动力反馈调整论域;仿真分析了悬架动态性能与馈能特性,并进行了台架试验。仿真结果表明,相比于模糊PID控制,自适应模糊控制的悬架系统在A级、B级路面簧载质量加速度均方根值分别降低了13.28%、13.84%,在B级、C级、D级路面轮胎动载荷均方根值分别降低了9.09%、16.07%、15.54%,并实现了42.8 W的振动能量回收。试验结果表明,与仿真分析相比,各路面等级上时域、频域的相对误差均在16%以内,验证了仿真结果的正确性和系统的实用性。     

轻型客车悬架系统垂向动力学优化研究EI北大核心CSCD

为提升某轻型客车平顺性,进行了空气弹簧性能和悬架系统的匹配研究。建立了整车多体动力学模型,通过前悬架K&C台架试验、后悬架理论计算验证了悬架仿真模型的准确性,仿真得出脉冲路面输入下乘客位置在20 km/h垂向加速度过大。搭建联合仿真平台,以扭杆弹簧和空气弹簧参数为设计变量,采用径向基神经网络和神经网络建立了驾驶员位置、乘客位置垂向加速度代理模型,并结合遗传算法对代理模型进行多目标优化,得出悬架参数优化方案。结果表明:当优化后车辆以20 km/h和30 km/h过脉冲路面时,乘客位置的最大垂向加速度分别减小了26.46%和24.88%;在以80 km/h速度过B级随机路面时,乘客位置的垂向加速度均方根值减小了23.72%。同时,驾驶员位置平顺性基本不变,明显改善了整车平顺性。     

基于二元件ISD结构隔振机理的车辆被动悬架设计与性能研究

二元件ISD串并联结构是组成被动机械网络的基础单元,通过在单自由度系统中振动响应特性和系统参数影响的讨论,研究二元件ISD结构振动控制的隔振机理,提出二元件串并联结构的理想匹配关系和悬架结构设计的一般方法,由此设计出车辆被动ISD悬架结构,建立四分之一悬架模型,采用多目标遗传算法优化被动机械元件的参数,参照相应标准以加权车身加速度、悬架动行程和轮胎动载荷均方根值为指标,对比研究所设计的被动ISD悬架结构的工作性能。仿真结果表明,所设计的车辆被动ISD悬架结构与传统被动悬架相比,在悬架动行程均方根值基本一致的前提下,其加权车身加速度和轮胎动载荷均方根值能同时得到改善,并且有效降低了低频段车身共振偏频处各项指标的功率谱密度峰值,说明所设计的悬架结构可有效改善车辆的乘适性和安全性。     

基于ADD正实网络的车辆ISD悬架优化设计与性能研究

利用无源车辆ISD(inerter spring damper)悬架系统可有效抑制车身低频振动的特性,结合经典加速度驱动阻尼(acceleration driven damping,ADD)控制可抑制车身中高频振动的特点,提出基于ADD正实网络的车辆ISD悬架综合优化设计方法,将车辆ISD悬架的宽频域振动抑制问题转化为...     

新型非对称惯容NES减震控制性能研究EI北大核心CSCD

为提高控制装置的减震性能及减小附加阻尼器的质量,基于非对称非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)提出一种附加惯容器的新型控制装置——非对称惯容NES。根据非对称惯容NES系统的工作原理推导出运动方程;在脉冲型荷载作用下进行控制参数数值优化,分析非对称惯容NES的能量鲁棒性和频率鲁棒性。分析地震作用下结构与控制装置响应,研究主体结构刚度变化前后的控制性能。应用数值小波变换对体系的地震响应时程进行功率谱分析,从能量的角度研究控制装置的减振机理。研究结果表明,非对称惯容NES具有极强的能量鲁棒性和频率鲁棒性,在地震作用过程中能有效减小顶层加速度峰值且所需行程更小,能在更广频域内与主体结构发生共振,因而其减震效率更高。非对称惯容NES减震控制性能与已有的非对称NES相当甚至更优,并能够减小40%阻尼器质量,在实际应用中具有更广阔的前景。     

基于改进多目标粒子群算法的商用车悬架系统优化EI北大核心CSCD

为改善商用车辆的平顺性、安全性并减小轮胎动载对路面的破坏,以某6×4牵引列车为研究对象,建立12自由度振动力学模型。以车辆平顺性和轮胎动载为优化目标,选择前后悬架弹簧刚度、减振器阻尼系数为优化参数,设计了一种基于改进多目标粒子群优化算法MDPL-MOPSO的悬架系统多目标优化策略。悬架系统优化前后的结果对比表明,提出的改进多目标粒子群优化策略在改善车辆平顺性的同时,兼顾了轮胎动载对路面的损坏,具有较好的优化效果,对重型商用车在开发阶段平顺性和安全性优化评估具有一定的指导意义。     

基于拓扑布置的超高层建筑TTMDI风致振动控制EI北大核心CSCD

为解决超高层建筑在强风作用下遭受涡旋脱落的影响可能会出现大幅振动问题,提出将高性能串并联调谐质量阻尼器惯容器(tuned tandem mass dampers-inerters,TTMDI)系统用于超高层建筑横向风致振动控制。在频域内,推导出超高层建筑-TTMDI系统的峰值响应公式,进而定义优化准则,并采用模式搜索法进行控制装置参数寻优。以某超高层建筑为例,考虑TTMDI系统的不同拓扑形式和总惯容质量比,分别从其控制有效性、刚度和阻尼系数、冲程、惯性力和鲁棒性方面,对TTMDI性能进行评估,并与调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD),串并联调谐质量阻尼器(tuned tandem mass dampers,TTMD)和调谐质量阻尼惯容器(tuned mass damper-inerter,TMDI)进行比较。数值结果表明:TTMDI具有更好的风致振动控制有效性和鲁棒性;此外,当拓扑或总惯容质量比增大到一定程度时,TTMDI只需要一个连接阻尼;而且,TTMDI系统对总阻尼的需求不到TMDI系统的一半,更易于实现。     

混合激励压电振动能量收集器的机电响应分析EI北大核心CSCD

为提高压电振动能量收集器在多种能量环境下的工作效率,旨在研究一种基础激励和风流体混合激励下压电振动能量收集器的机电响应性能。根据Euler-Bernoulli弹性梁振动理论建立了混合激励下压电悬臂梁的分布参数模型,通过建立机电耦合降阶模型得到了系统的第一阶模态机电控制方程,利用机电解耦方法推导了系统响应的解析解,讨论了负载电阻、风速对系统固有频率及机电阻尼的影响,分析了负载电阻、加速度及风速对系统发电性能的影响,验证了理论模型的正确性。结果表明,与基础激励相比,混合激励不但增大系统的能量收集功率,而且可在更宽的频带区间内收集能量。     

活塞杆颗粒阻尼器优化设计研究EI北大核心CSCD

为探究活塞杆颗粒阻尼器阻尼性能,该研究基于离散元-多体动力学耦合分析方法(discrete element method-multibody dynamics,DEM-MBD),建立了活塞杆颗粒阻尼器仿真模型。通过数值模拟,研究活塞杆颗粒阻尼器颗粒材料特性、颗粒尺寸、活塞杆埋入深度及振动幅值和频率对阻尼性能的影响规律。研究结果表明,颗粒间摩擦效应、活塞杆埋入深度对阻尼性能影响显著,碰撞恢复系数对阻尼性能无影响,并发现振动位移与颗粒粒径相等时阻尼效果达到局部最优值。基于以上结论,该研究进一步研究了一种弹簧预紧力作用下显著提升阻尼性能的活塞杆颗粒阻尼器模型,并通过试验对仿真结果进行了验证,为活塞杆颗粒阻尼器在实际振动控制应用中提供理论参考。     

行星齿轮机电耦合动力学及其电参数影响机理研究EI北大核心CSCD

针对机电系统动力学响应与电参数变化的相互作用机制问题,将时变啮合刚度及太阳轮处时变轴承刚度表示为转角的函数,建立了适用于不同转速工况的电机-齿轮机电耦合模型。使用dq轴坐标变换法推导了机械系统动态特性与电机定子电流的作用关系。基于精细的机电耦合模型,计算得出了振动响应及电机定子电流响应的频率特性,揭示了啮合频率与轴承频率在定子电流中的映射规律。研究结果表明:定子电流频率会受到机械部分频率调制作用从而产生相应边频,该边频成分可用于判断机械系统运行情况;啮合频率及其倍频直接与电流频率发生调制体现在电流频谱中,轴承频率先与啮合频率卷积再与电流频率发生调制才体现在电流频谱上;在不同转速下工况下,齿轮以及轴承特征频率偏移也能体现在电流频域上。     

基于LSGAN-SqueezeNet的轴承故障诊断研究EI北大核心CSCD

在滚动轴承的故障诊断过程中,需要大量的故障样本对模型进行训练,但由于工程实际环境较为复杂,难以采集到足量的轴承故障样本。提出基于最小二乘生成对抗网络(least squares generative adversarial networks,LSGAN)结合SqueezeNet在样本数据量不足条件下滚动轴承故障诊断的方法。该方法首先利用滚动轴承的原始样本训练LSGAN,生成不同状态下的轴承信号样本,采用SqueezeNet对真实样本与生成样本进行模型训练,实现样本数据量不足条件下的轴承故障诊断。通过凯斯西储大学及德国帕德博恩大学的滚动轴承试验数据对所提轴承故障诊断方法进行验证。试验结果表明,真实样本结合生成样本训练模型,对故障的诊断准确率均达到99.7%,该方法具有较高的诊断精度。实现了样本数据量不足条件下故障诊断的可行性及验证其泛化性,且有效提高了故障诊断的准确率、降低了训练成本。     

应用惯容器提升液压互联悬架性能的研究

为进一步改善车辆抗侧倾和抗俯仰的综合性能,将惯容器应用到液压互联悬架中,设计一种含有惯容器的液压互联惯容悬架。建立整车机械-液压耦合动力学模型,应用AMESim搭建模型对车辆抗侧倾与抗俯仰能力以及悬架系统关键参数对车辆性能的影响进行仿真分析。通过仿真分析得：相较于横向稳定杆和普通液压互联悬架,液压互联惯容悬架能够明显提高车辆的抗俯仰和抗侧倾能力,改善车辆操纵稳定性和安全性。液压系统各关键参数对车辆的侧向加速度无明显影响。系统初始油压、马达排量和飞轮转动惯量与车身侧倾角呈负相关,蓄能器初始气体体积与车身侧倾角呈正相关。     

基于螺旋型耳蜗的数值分析EI北大核心CSCD

利用Patran建立包括前庭阶、鼓阶、基底膜、圆窗、卵圆窗在内的三维空间螺旋耳蜗模型。结合Nastran对基底膜进行频率响应分析,得到基底膜位移响应与耳蜗内压力(包括前庭阶与鼓阶处的压力),计算结果与相关实验吻合,验证了模型的正确性。基于空间螺旋模型研究了流体黏度对于耳蜗阻抗的影响以及正向、逆向激励对于基底膜12 mm处沿横向位移幅值的影响。结果表明,由于流体黏度的存在增大了耳蜗的阻抗。同时,当频率较高时,在正,逆不同激励作用下,相对于简化的直腔耳蜗模型,螺旋基底膜的曲率对基底膜沿横向的幅值影响较大,从侧面反应出螺旋耳蜗结构本身的曲率对基底膜感音域的扩大作用。     

结构-NFVD-TTMDI的控制性能EI北大核心CSCD

为了更好地发挥串并联调谐质量阻尼器惯容器(Tuned Tandem Mass Dampers-Inerters,TTMDI)的优势,进一步提高其有效性和鲁棒性,使其能够广泛地应用于实际工程中,提出了连接阻尼器为非线性液体黏滞阻尼器的串并联调谐质量阻尼器惯容器(Nonlinear Fluid Viscous Damper-Tuned Tandem Mass Dampers Inerters,NFVD-TTMDI)。在频域内推导出结构-NFVD-TTMDI系统的动力放大系数半解析解,进而定义了NFVD-TTMDI系统的最优化准则。采用迭代法进行等效线性化并使用FMINCON算法进行寻优,研究了不同阻尼指数υ对NFVD-TTMDI系统最优参数、减振有效性以及鲁棒性和质量块冲程的影响,并在时域内进行了验证。数值结果表明,相较于线性TTMDI,NFVD-TTMDI不仅具有相似的较高控制性能,而且当υ<1.0时其鲁棒性显著提高,同时对阻尼系数的需求显著降低,这些优势使得其在实际工程中更加经济有效。     

数传天线机电耦合建模及微振动特性仿真与试验研究EI北大核心CSCD

星载数传天线是航天器低频段微振动的主要扰振源,严重影响了遥感卫星成像质量。研究了一种以步进电机为驱动源的数传天线的微振动特性。通过线性化方法简化了步进电机的动力学方程,根据固定界面模态综合法建立了在柔性边界上步进电机驱动柔性负载的动力学模型,并给出了数传天线微振动的解析表达式。通过仿真和试验验证了上述微振动模型,分析了微振动的成因和影响因素。结果表明:试验和仿真得到的微振动频域峰值处的频率一致,幅值误差不超过9.41%&并且合理选择步进电机转速可有效降低数传天线的微振动。该模型可应用于在轨微振动预测、天线控制系统设计等领域。     

低温环境对多孔材料声学性能的影响研究EI北大核心CSCD

针对低温环境对船舶多孔舾装材料声学性能的影响,阻抗管吸/隔声性能测试研究是被开展。基于传递函数法进行不同环境影响下玻璃棉材料的声学性能测试,试验给出了温度和含水率对玻璃棉材料声学性能的影响规律;在此基础上,以内河破冰船为例分析了低温环境下玻璃棉材料声学性能变化对舱室噪声的影响。研究表明,低温环境下玻璃棉的高频吸声系数将随含水率增加而显著下降,插入损失随含水率增加而增加,但低温环境导致玻璃棉材料声学性能的变化不会提高舱室噪声的超标风险。