基于负刚度结构的驾驶室座椅悬架系统设计与评价

为了改善驾驶室座椅的隔振性能,提出了基于负刚度结构的工程机械驾驶室座椅悬架系统优化模型.通过设计座椅负刚度悬架结构(NSS),建立了负刚度非线性动力学方程,基于MATLAB对悬架系统的不同参数及其对动刚度的影响进行了分析,得到悬架系统最为理想的配置参数范围;同时提出了NSS优化模型,采用不同方法对振动传递特性进行了仿真分析.研究结果表明:优化后的座椅悬架系统的位移幅值与加速度幅值均明显减小,座椅垂直振动方向的四次功率振动剂量值与加权加速度均方根值分别下降了86%和87%,座椅有效振幅传递率和悬架系统振动传递率均下降,传递给驾驶员的振动的峰值频率均不在容易引起人体不适的关键频率值附近.这表明座椅悬架系统的设计对驾驶员受振后的身体健康状况没有任何影响,NSS悬架系统具有良好的隔振性能,提高了驾驶员的乘坐舒适度.

分数阶van der Pol-Mathieu方程的动力学分析

以含分数阶微分项的van der Pol-Mathieu方程为对象,研究了谐波激励作用下主共振的动力学行为和稳定性。采用平均法得到了方程近似解析解,通过数值方法验证了解析结果的准确性。建立了系统稳态响应的幅频方程,利用Lyapunov第一方法得到定常解的稳定条件,确定解的稳定性。在此基础上,分析了参激项、自激项以及分数阶微分项参数对系统幅频特性的影响。结果表明:改变参激项系数主要影响系统的响应幅值和共振频率范围;改变自激项系数主要影响系统响应幅值和多值性;改变分数阶微分项系数和阶次对系统的动力学行为具有双重调节的作用。

多车激励下波形钢腹板连续梁桥沥青铺装动力学响应

为研究多车激励作用下大跨径桥梁桥面铺装层的动力学响应,建立含有Fiala轮胎的多刚体实车模型以及大跨径桥梁有限元精细模型,考虑桥面随机不平顺激励,构建包含桥面铺装层的车-桥刚柔耦合系统动力学模型。计算准静态条件下桥梁控制截面的挠度,并与现场静载试验进行对比,验证了所建车-桥耦合模型的正确性与计算结果的有效性。研究不同编队多车荷载作用下波形钢腹板连续箱梁桥铺装的动力响应,不同工况对于车辆后轴悬架力和垂向轮胎力的影响,结果表明:多车荷载相比于单个车辆荷载所引起的动力响应更大,更容易引起桥面铺装和桥梁结构的早期损伤;在车辆数量相同、车速相同、前后车距相等的情况下,车辆行驶编队不同时所引起的桥面铺装层最大挠度、最大纵向应力和最大横向剪应力分别增大了19.7%、23.5%和8.0%,且最大纵向拉应力和剪应力均发生在防水混凝土-混凝土梁之间,容易产生早期疲劳开裂;车辆后轴悬架力随着载重增加而增大,垂向轮胎力随着速度和载重增加而增大。

地震与墙顶荷载作用下加筋桥台稳定性极限分析

与传统桥台相比,加筋桥台结构轻便、造价经济、抗震性能优越,然而国内规范缺少针对地震与墙顶荷载共同作用下加筋桥台稳定性的计算方法。基于极限分析上限定理,本文对地震与墙顶荷载同时作用下整体式面板加筋桥台的安全系数进行计算分析,研究地震加速度系数、筋材强度与间距、墙顶荷载等因素对加筋桥台稳定性的影响。结果表明:墙顶荷载作用下,水平地震加速度系数由0增大到0.4时,安全系数降低约10%。竖向地震惯性力向下时安全系数小于向上时的安全系数;安全系数随筋材竖向间距的增大而减小,当筋材竖向间距小于墙高的5%时减小趋势明显;当筋材长度超过墙高的70%后,长度对安全系数的影响减弱,仅当筋材设计强度超过20 kN/m、筋材竖向间距小于0.2 m时安全系数出现增大趋势;安全系数随墙顶荷载的增大呈倒V形分布,当墙顶荷载为2倍墙体自重时安全系数取得最大值。

多源声发射信号混合重叠组稀疏分类研究

针对高速列车车体裂纹声发射检测的多源、波模式重叠及噪声干扰问题,提出一种基于本征模态的混合重叠组稀疏(MOGS)分类方法用于声发射源识别。MOGS是一种兼顾组间和组内稀疏,同时允许类间特征重叠的结构稀疏模型。设计了一种新的噪声预分解矩阵以降低本征模态分解计算量,选取目标特征频带模态为分类样本来提高类间差异。通过K-SVD层次稀疏组套索罚训练MOGS类别字典,并给出一种罚函数块坐标可分离的近似光滑处理过程以实现MOGS套索求解。实验表明,该方法对几类多源含噪信号分类准确率均高于80%,在识别率和波形重构效果上优于对比方法。

车辆动力学与控制研究进展

从车辆纵、横、垂向动力学三个方面,结合电动汽车、智能网联等热点问题,介绍了目前车辆动力学与控制领域的研究成果.车辆纵向动力学方面包括车辆传动系统换挡控制、制动系统的设计与控制以及车辆状态的参数估计;车辆横向动力学方面涉及车辆转向系统设计与横向稳定性控制;车辆垂向动力学方面包括悬架系统的优化设计与半/主动控制.专刊研究成果涉及车辆动力学与控制方向的多种问题,可为今后开展相关研究提供参考.

复合干摩擦的准零刚度隔振系统的亚谐共振

利用增量平均法研究了复合干摩擦阻尼器的准零刚度非线性隔振系统在外部简谐激励作用下的1/3次亚谐共振.首先利用平均法得到了复合干摩擦的准零刚度隔振系统的主共振近似解析解,然后在系统主共振近似解析解的基础上将系统的亚谐共振响应看作增量,并利用平均法得到了准零刚度隔振系统的亚谐共振近似解析解.利用李雅普诺夫方法得到了准零刚度隔振系统主共振和亚谐共振稳态解的稳定性条件,并推导了系统1/3次亚谐共振的存在条件.根据近似解析解分别得到了复合干摩擦的准零刚度隔振系统的主共振和亚谐共振力传递率.利用数值解验证了准零刚度隔振系统主共振和亚谐共振近似解析解的准确性.利用系统的近似解析解详细分析了准零刚度参数和干摩擦力对系统主共振和亚谐共振的幅频响应以及力传递特性的影响.分析结果表明,通过选取合适的干摩擦力参数,可以消除准零刚度隔振系统在主共振区域的亚谐共振.通过复合干摩擦阻尼器不但可以提高准零刚度隔振系统在低频区域的振幅抑制效果,而且可以降低准零刚度隔振系统的起始隔振频率,但是会增大系统在有效隔振频带内的力传递率.

CRTSⅡ型板式无砟轨道非线性屈曲行为研究

针对温度荷载作用下CRTS II型板式无砟轨道上拱屈曲失稳问题,基于有限元软件Abaqus建立考虑初始不平顺和轨道板间摩擦行为的非线性屈曲有限元模型,采用弧长法追踪热屈曲非线性路径并针对不平顺幅值、摩擦性能、轨道自重和轨道刚度等影响因素参数化分析。研究结果表明:初始不平顺的大小影响轨道结构的非线性路径是否存在不稳定阶段,当轨道结构初始不平顺幅值取5 mm时会发生突然屈曲,不平顺幅值取50 mm则不会发生从平衡路径的突然屈曲;轨道板与CA砂浆间的摩擦性能对临界温度几乎无影响,平衡路径的初始分支几乎一致,后屈曲阶段呈发散趋势,安全温度的影响较大;轨道结构自重增加较明显地抑制轨道结构的上拱屈曲,轨道结构自重提高0.2倍,临界温度可提高10℃,安全温度提高近20℃;轨道刚度增加对提高轨道结构抗屈曲能力并不明显。

一类阻尼控制半主动隔振系统的解析研究

研究了一类基于相对速度反馈的含立方刚度的单自由度非线性半主动隔振系统.通过平均法得到了系统分别在基于加速度-相对速度反馈的加速度驱动阻尼控制策略、速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略和位移-相对速度反馈的地棚阻尼控制策略下主共振响应的近似解析解,并利用数值解验证了近似解析解的准确性.通过Lyapunov理论对不同控制策略下系统的稳定性进行了分析,讨论了系统参数对控制效果的影响.分析结果表明,对3种基于相对速度反馈的控制策略进行解析研究时,切换条件中的控制参数具有相同的表达式;在抑制共振响应振幅方面,基于速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略在低频时的减振效果最好,而基于加速度-相对速度反馈的加速度驱动阻尼控制策略在高频时的减振效果最优;在抑制瞬态响应振幅方面,基于速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略的减振效果最好.此类解析研究方法可应用到其他半主动开关控制策略中,为半主动隔振系统的控制策略研究提供了有效的方法和手段.

Duffing系统的主-亚谐联合共振

以Duffing系统为研究对象,研究在多频激励下同时发生主共振和1/3次亚谐共振的动力学行为与稳定性.首先,通过多尺度法得到系统的近似解析解,利用数值方法检验近似程度,结果吻合良好,证明了求解过程和解析解的正确性.然后,从解析解中导出稳态响应的幅频方程和相频方程,从幅频曲线以及相频曲线中发现系统最多存在7个不同的周期解,这种多解现象可用于对系统状态进行切换.基于Lyapunov稳定性理论,得到联合共振定常解的稳定条件,利用该条件分析了系统的稳定性,并与Duffing系统的主共振和1/3次亚谐共振单独存在时比较.最后,通过数值方法分析了非线性项和外激励对系统动力学行为与稳定性的影响,发现了联合共振特有的现象:刚度软化时,非线性项不仅影响系统的响应幅值,同时还影响系统的多值性和稳定性;刚度硬化时,非线性项对系统的影响与单一频率下主共振和1/3次亚谐共振类似,仅影响系统的响应幅值.这些结果对Duffing系统动力学特性的研究具有重要意义.

含分数阶Bingham模型的阻尼减振系统时滞半主动控制

针对基于磁流变液阻尼器的半主动控制系统中存在的时滞问题,采用了一种将可控的时滞变量引入半主动控制切换条件的控制策略,研究了考虑时滞的天棚阻尼控制切换条件对半主动阻尼减振系统的影响,分析了含有分数阶Bingham模型的线性刚度系统在基础激励下的振动特性.利用平均法得到了系统在含时滞半主动控制策略下主共振响应的近似解析解,根据Lyapunov理论分析了系统的稳定性.通过数值解验证了近似解析解的准确性,二者具有较好的一致性.利用近似解析解分析了固定激励频率下时滞对系统幅频响应特性的影响,以及主共振峰值响应和共振频率随时滞变化的特性规律.结果表明,含时滞的半主动控制系统存在一个小时滞区间,使得系统的振幅在主共振峰对应的频率附近低于不考虑时滞时系统的振幅,且存在最优时滞使得系统的振幅大幅度降低;而大时滞的引入会加剧系统的振动,导致系统的颤振.确定了基于分数阶Bingham模型的线性刚度系统在天棚阻尼半主动控制下的时滞选取原则,为振动系统半主动阻尼控制中的时滞选取提供了参考.

Duffing系统的主-超谐联合共振

非线性动力系统极易发生共振,在多频激励下可能发生联合共振或组合共振,目前关于非线性系统的主-超谐联合共振的研究少见报道.本文以Duffing系统为对象,研究系统在主-超谐联合共振时的周期运动和通往混沌的道路.应用多尺度法得到系统的近似解析解,并利用数值方法对解析解进行验证,结果吻合良好.基于Lyapunov第一方法得到稳态周期解的稳定性条件,并分析了非线性刚度对稳态周期解的幅值和稳定性的影响.此外,由于近似解只能描述周期运动,不足以描述系统的全局特性,因而应用Melnikov方法对系统进行全局分析,得到系统进入Smale马蹄意义下混沌的条件,依据该条件以及主-超谐联合共振的条件选取一组参数进行数值仿真.分岔图和最大Lyapunov指数显示出两个临界值:当激励幅值通过第一个临界值时,异宿轨道破裂,混沌吸引子突然出现,系统以激变方式进入混沌;激励幅值通过第二个临界值时,系统在混沌态下再次发生激变,进入另一种混沌态.利用Melnikov方法考察了第一个临界值在多种频率组合下的变化趋势,并用数值仿真验证了解析结果的正确性.

动力吸振器复合非线性能量阱对线性镗杆系统的振动控制

研究了线性动力吸振器复合非线性能量阱对线性镗杆在外部简谐激励下的振动控制.忽略镗杆系统中的非线性因素,建立了附加线性动力吸振器和非线性能量阱的镗杆系统的三自由度运动方程,研究了附加复合式动力吸振器的镗杆系统的受迫振动.通过平均法得到了附加复合式动力吸振器的镗杆系统的近似解析解,并利用数值解验证了近似解析解的准确性,两者具有很好的一致性.利用近似解析解详细分析了线性动力吸振器和非线性能量阱的参数对镗杆振动抑制性能的影响.对给定质量的复合式动力吸振器进行了参数优化,其中线性动力吸振器参数采用H;优化方法的近似解析解进行了优化,非线性能量阱的阻尼利用系统的近似解析解进行了优化.分析结果表明,线性动力吸振器与非线性能量阱组合可以有效抑制线性镗杆系统的振动,而且采用参数优化后的复合式动力吸振器可以获得更好的减振效果.通过附加非线性能量阱,不但可以提高线性动力吸振器的振动抑制效果,而且还可以提高振动控制系统的鲁棒性.

单元化后高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构纵向力分布规律研究

针对我国高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道胀板、离缝等病害问题,按照四块板的单元化方案对CRTSⅡ型板式无砟轨道进行单元化处理,建立多跨简支梁桥无缝线路桥梁-轨道耦合模型,研究桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构纵向力分布规律,分析不同弹性模量的宽窄接缝对钢轨纵向力、钢轨位移、轨道板纵向应力及桥梁纵向位移的影响。研究结果表明:(1)当弱连接处弹性模量取15500MPa时,无砟轨道结构整体受力减小,钢轨纵向力、钢轨纵向位移及轨道板纵向应力出现应力、位移突变现象,突变幅值在安全范围之内;(2)单元化时需关注弱连接位置、梁缝处钢轨受力及钢轨的爬行,防止钢轨力变化幅度过大导致钢轨疲劳断裂,在弱连接位置发生较大变形;(3)单元化时,弱连接处填充材料的弹性模量是影响CRTSⅡ型板式无砟轨道结构受力的关键因素;(4)单元化对桥梁整体纵向位移的影响很小,可忽略不计。

分数阶拟周期Mathieu方程的动力学分析

分数阶微积分有着诸多优异的特点,目前在动力学领域主要用来提高非线性系统振动特性研究的准确性.本文在拟周期Mathieu方程的基础上,引入分数阶微积分理论,研究了分数阶微分项参数对方程稳定性的影响.首先,采用摄动法得到方程稳定区和非稳定区分界线(即过渡曲线)近似表达式,利用数值方法验证了解析结果的准确性,图像显示两者吻合较好.随后,通过归纳总结不同情况下的过渡曲线近似表达式,发现在系统中分数阶微分项以等效线性刚度和等效线性阻尼的方式存在.根据这一特点,得到了系统等效线性阻尼和等效线性刚度的一般形式,并且定义了非稳定区域厚度.最后,通过数值仿真直观地分析了分数阶微分项参数对方程稳定区域大小和过渡曲线位置的影响.结果发现,分数阶微分项不仅具有阻尼特性还具有刚度特性,并且以等效线性刚度和等效线性阻尼的方式影响着方程稳定区域大小和过渡曲线位置.合理选择分数阶微分项参数可以使其呈现不同程度的刚度特性或阻尼特性,方程稳定区域的大小和过渡曲线的位置也因此产生了不同程度的变化.

分数阶平方阻尼Mathieu振子的动力学分析

研究了谐波激励下分数阶平方阻尼Mathieu振子的主共振。首先采用多尺度法得到了主共振的近似解析解,利用数值方法验证了近似解的准确性。然后建立了系统定常解的幅频曲线方程,基于Lyapunov第一方法得到了稳态响应的稳定性条件,分析了强迫主共振和参激共振下系统特有的幅频特性。最后通过数值仿真研究了分数阶微分项对系统幅频特性的影响。结果表明,利用分数阶微分项系数和阶次能对系统响应幅值和振动频率等形成一种双重调节,可有效改善系统幅频特性。

隧道下穿施工引起既有隧道及地层变形预测的改进随机介质理论模型

新建隧道下穿既有隧道施工时,由于传统随机介质理论无法考虑既有隧道的影响,地层变形预测结果易出现较大误差。考虑隧道开挖后断面的非均匀收敛,基于随机介质理论与Peck公式两者关键参数之间的关系,对传统随机介质理论进行了简化和改进;应用隧道衬砌抗弯刚度等效及当层法,对非均质地层和既有隧道进行了等效处理,提出了隧道下穿施工引起的既有隧道及地层变形预测模型,结合相关典型工程验证了该理论模型的准确性。结果表明:与传统随机介质理论相比,预测模型对既有隧道及地层的变形预测曲线均呈“宽而浅”的特点,与数值计算及现场实测结果的关联度更大,具有更高的合理性和准确性,为隧道下穿施工引起的既有隧道及地层变形预测提供了理论依据。

基于椭球体理论的低含水率砂层隧道松动土压力研究

为研究低含水率砂层隧道土拱效应下的破坏模式与松动土压力,自制试验装置开展低含水率条件下Trapdoor试验,利用PIV技术得出破坏模式;分析主应力偏转对侧压力系数的影响。基于椭球体理论,考虑松动区内竖向荷载梯形分布形式与表观黏聚力作用,推导不同土拱效应发挥程度下隧道松动土压力计算公式。研究结果表明,表观黏聚力使模型试验最终滑动面呈现椭圆状,与Terzaghi假设的竖直面存在差别;φ为常数时,K值与埋深正相关,随土拱效应发挥程度增大而增大;土拱效应的发挥程度与埋深成正相关,相同埋深下,K随φ增大而减小,利用本文公式计算出K随φ值变化在0.2~0.7之间。算例表明,相同埋深时松动土压力在不同含水率下随土拱效应发挥呈递减趋势,体现出表观黏聚力随土体饱和度变化规律。

移动荷载作用下三跨钢-混组合连续梁桥面铺装动态响应

为研究移动荷载作用下三跨钢混组合连续梁桥面铺装层响应,建立了一种三跨钢混组合连续梁模型,桥面铺装层采用沥青混合料黏弹属性,移动荷载采用DLOAD与UTRACLOAD子程序实现.结果表明,上面层、下面层、水泥混凝土层及钢板层的最大垂向挠度值比纵梁大17%.由于纵梁与横梁支撑,纵梁的最大垂向挠度比非纵梁小6.6%,横梁最大垂向挠度比非横梁小3.1%.剪力钉与混凝土全接触时的竖向挠度最大,黏结与接触共同作用时的竖向挠度次之,全黏结时的竖向挠度最小.桥面铺装层承受垂向压应力,上、下面层承受横向压应力,钢板层承受横向拉应力,上面层与水泥混凝土层承受纵向压应力,下面层既承受纵向压应力又承受纵向拉应力,钢板层承受纵向拉应力.

基于激光雷达的道路不平度及可行驶区域检测

为了提高室外场景中车载激光雷达道路不平度信息检测的精度,采用随机降采样和局部特征聚合的网络结构对道路环境信息进行提取分割。在分割过程中加入随机降采样的方法,从而提高点云信息的计算效率,为解决道路环境信息分割过程中关键特征丢失的问题,加入局部特征聚合器来增加每个3维点云的接受域来保留几何细节。结果表明,所提出的算法可以准确识别道路环境信息,对于凸包、凹坑、道路可行驶区域的识别精度分别达到71.87%,82.71%,93.01%,与传统卷积神经网络相比有显著提升。该研究可高效提取道路不平度及道路可行驶区域信息,从而提高了车辆的主动安全性与平顺性。