CN112406554B - 双轨悬浮车体适应碰撞振动的三级缓冲减振系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双轨悬浮车体适应碰撞振动的三级缓冲减振系统及方法，提出三级缓冲减振系统总体布局，规定各级缓冲减振装置的功能。然后是动力学参数设计，将各级缓冲减振装置和悬浮车体结构离散为弹簧‑质量元的动力学参数，建立三自由度的动力学方程，通过优化设计程序平台获得各级缓冲减振装置的刚度和阻尼参数。最后是缓冲减振装置结构设计，选取各级缓冲减振装置的基本形式，提取结构装置的关键几何尺寸，建立有限元参数化结构模型，通过有限元与优化设计程序联合仿真获得各级缓冲减振装置的结构设计结果。本发明考虑了动力学参数优化和结构参数优化，获得性能最优、结构合理的三级缓冲减振系统设计结果，显著缩短缓冲减振系统的研发周期。

Description

双轨悬浮车体适应碰撞振动的三级缓冲减振系统及方法

技术领域

本发明属于机械动力学与振动领域，涉及多级缓冲减振系统的设计方法，特别是一种双轨悬浮车体适应碰撞振动的三级缓冲减振系统及方法。

背景技术

现代军民用运载工具正朝着高速运动、高载重量的方向发展，可行技术方案是将车体通过磁力或气动力悬浮，减小车辆与路面的摩擦力，可以突破传统地面交通工具的速度限制。这一类型的悬浮车体在理论上可以完全不需要与轨道进行接触，但可能发生悬浮力与重力的不平衡或者突加横向力的突发情况，导致严重的脱轨事故。因此在实际应用中为了保证安全，会在悬浮车体底部设计滑橇与轨道的配合，在出现状况时产生约束，但这种方法同时也引入了新的振动源，需要进行车体缓冲减振设计。

磁悬浮列车是一类典型的悬浮车体系统，通过电磁铁与轨道间的吸引使车辆悬浮，突破了铁路交通系统中使用车轮和轨道的传统技术界限。国内外的分析表明，低俗常导磁吸式磁悬浮列车每个电磁悬浮模块的最大横移量不能超过磁极宽度的一半，因而在运行过程中必须控制悬浮电磁铁与轨道间的横向位移，严格限制车体的横向振动幅值，使列车的横向振动加速度不超出平稳性允许的合格限度([1]董仲美,王自力,蒋海波等.邻车减振器对磁悬浮列车横向振动的影响[J].铁道机车车辆,2006(12):26-6)火箭橇同时也是目前投入工程试验的超高速运动的悬浮车体，通常用于高速航空飞行器的地面模拟飞行试验，具备全尺寸试验能力、试验速度与过载范围大、可重复性高和经济性优等特点。火箭橇结构特征是从橇体向下延伸出滑橇与高精度轨道形成配合，防止由于气动力突变发生不可预料的脱轨现象，同时又要与轨道保持一定间隙，使滑橇顺利通过。目前已经有文献对单轨火箭橇由于轨道不平顺问题带来的振动冲击进行研究：文献([2]余元元,龚明生.用于高速火箭橇试验的减振滑块装置：中国，201410692769.4[P].2015-04-22.)提出了用于高速火箭橇试验的减振滑块装置安装到滑橇上，可以在三个坐标方向上对火箭橇进行减振；文献([3].刘军,顾凯旋,龚明生.新型火箭橇减振装置:中国，201510925792.8[P].2015-12-12)提出了圆环形的火箭橇减振装置，安装到橇体与滑橇的承力框架位置。目前有文献报导双轨火箭橇具备载重量大的优势已经开始投入研发工作，但是其由于轨道不平顺和碰撞导致的振动冲击，车体姿态振动控制问题也要远远复杂于单轨火箭橇([4]顾凯旋,龚明生,王磊等.双轨火箭橇全时程动力学仿真分析研究[J].航空工程进展,2020(4):11-2.)，需要缓冲减振系统开展相应的设计研发工作。

双轨悬浮车体通常需要在底部布置若干对滑靴，在车体偏航时发生碰撞形成滑靴与轨道的接触或配合，约束悬浮车体只能进行航向、垂向运动以及俯仰方向的转动。但滑靴的引入导致增加了新的振动源，滑靴与轨道剧烈碰撞产生振动冲击，会影响车体内灵敏仪器正常工作和乘员的舒适性，甚至可能对车体结构造成损坏。更加严重的状况是，悬浮车体可能会由于突发情况导致悬浮力突然增加或降低，大质量的车体做向上或向下的刚体运动，直到与轨道产生剧烈撞击，在滑靴上产生极大的突加冲击载荷，这种偶然发生的极限载荷工况称为碰撞工况。因此必须在悬浮车体上设计一套适应不同振动冲击载荷工况的缓冲减振系统，即：对于产生小幅振动的碰撞工况，适当增加车体阻尼，耗散振动能量，使强迫振动的振幅迅速衰减；对于产生剧烈冲击的碰撞工况，适当降低车体的支承刚度，快速吸收冲击能量，减小车体的自由振动变形。

然而在仿真和试验中发现，很难采用单级的缓冲减振装置同时解决悬浮车体在不同碰撞情况下的振动冲击问题，主要面临着以下难点：

(1)各种承力零件所受载荷有很大差异。滑靴直接与轨道发生横向和垂向的碰撞摩擦，所受载荷接近于面载荷。车架与滑靴在横向和垂向上有一段距离，会承受明显的弯矩作用。支承横梁在车架中起到支承作用，承受很大的横向力。因此需要依据不同零件的受力状态设计对应类型的缓冲减振装置。

(2)悬浮车体的振动模式复杂。悬浮车体通常是由板壳和支承横梁构成的箱式结构体，再与悬臂的滑靴结构相连接，各种结构形式的承力零件具有不同的固有振动模式，而且会产生复杂的耦合振动。因此需要引入多级的缓冲减振装置将结构形式差异较大的承力零件相互隔离，以解决各零件由变形不协调导致的振动强度问题。

(3)短时间内输入的冲击能量过大。某些高精度设备必须在振动强度极低的环境工作，在很多情况下，单级系统不能满足精度要求，就要采用多级的缓冲减振系统。

目前尚未有相关技术的报导，因此需要专门针对双轨悬浮车体的碰撞振动建立三级缓冲减振系统的设计方法，通过动力学模型仿真和缓冲减振装置的结构设计等技术手段，有效抑制有害的振动变形，缩短缓冲减振系统的研发周期。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，针对现有双轨悬浮车体的缓冲减振装置设计存在的问题做出改进，解决缓冲减振装置的传统设计方法中借鉴成熟应用的相似结构并结合大量振动试验迭代修改的技术问题，提供双轨悬浮车体适应碰撞振动的三级缓冲减振系统及方法，可以显著缩短缓冲减振系统的研发周期，并节约试验成本。

本发明技术解决方案：

本发明的一种双轨悬浮车体适应碰撞振动的三级缓冲减振系统，包括结构布局上独立的第1级滑靴结构的缓冲装置(1)、第2级滑靴支座的减振装置(2)和第3级支承横梁的减振装置(3)；

第1级滑靴结构的缓冲装置(1)，直接承受滑靴与轨道之间产生的冲击和碰摩载荷，减小滑靴的应力，保护滑靴不产生结构损伤和破坏；所述第1级滑靴结构的缓冲装置(1)设在滑靴上，位置靠近滑靴与轨道的接触表面，由于所保护的位置不同分为顶面缓冲装置(1a)、侧面缓冲装置(1b)和底面缓冲装置(1c)：在车体悬浮运行的过程中，如果出现车体所受的重力大于悬浮力的情况，则所述顶面缓冲装置(1a)将与轨道上表面发生碰撞，对滑靴顶部结构进行缓冲减振；如果出现车体所受的悬浮力大于重力的情况，则所述底面缓冲装置(1c)将与轨道下表面发生碰撞，对滑靴底部结构进行缓冲减振；如果出现车体受到额外的横向载荷作用，则侧面缓冲装置(1b)将与轨道侧表面发生碰撞，对滑靴侧面结构进行缓冲减振；

第2级滑靴支座的减振装置(2)，同时减弱从滑靴传递过来的垂向和横向上的冲击振动，减小滑靴支座(6)及车体的振动加速度；所述第2级滑靴支座的减振装置(2)设在滑靴(5)与滑靴支座(6)之间，所述第2级滑靴支座的减振装置(2)的轴线与水平面形成夹角，通过内部的弹性阻尼构件减弱滑靴(5)与滑靴支座(6)在垂向和横向上的刚度，达到缓冲减振的功能；

第3级支承横梁的减振装置(3)，减弱车体向支承横梁(8)传递的垂向和横向上的冲击振动，减小支承横梁(8)和超导磁体(9)的振动加速度；所述第3级支承横梁的减振装置(3)设在车架(7)的侧面支板(7b)、中间支板(7d)上，位置靠近所述侧面支板(7b)、中间支板(7d)与支承横梁(8)的接触表面上，所述第3级支承横梁的减振装置(3)分为侧面减振装置(3a)和中间减振装置(3b)，所述侧面减振装置(3a)对垂向和横向载荷进行减振，中间减振装置(3b)对垂向载荷进行减振。

本发明的一种双轨悬浮车体适应碰撞振动的三级缓冲减振系统设计方法，所述方法依次通过系统功能设计、动力学参数设计和缓冲减振装置结构设计，步骤实现如下：

第一阶段是系统功能设计：

第1-1步，承力部件载荷分析：根据不同碰撞振动的载荷分析，获得可能出现滑靴与轨道上边缘接触、下边缘接触和一侧边缘接触以及同时接触的受力状态；由悬浮车体-滑靴结构系统在相同接触位置、静载荷下的仿真分析确定主要承力部件，研究承力部件在不同碰撞振动可能产生的应力和变形；

第1-2步，缓冲减振系统总体布局：由所述第1-1步的载荷分析结果绘制双轨悬浮车体主要承力部件的结构简图，由于在结构形式差异较大的部件具有不同的固有振动模式，容易通过刚性连接形成振动耦合从而导致振动问题，因此在这些关键位置引入缓冲减振装置将其相互隔离，最终获得三级缓冲减振系统的总体结构布局；

所述设计方法的第二阶段是动力学参数设计如下：

第2-1步，三自由度动力学模型的建立，根据缓冲减振系统的总体布局把双轨悬浮车体进行结构划分，将车体离散为三自由度的质量元件，只带有质量参数，缓冲减振装置离散为弹簧元件与阻尼元件，带有刚度阻尼参数，将滑靴与轨道的横向碰撞提取出随时间变化的碰撞力Fx(t)，垂向碰撞提取出随时间变化的碰撞力Fy(t)，在这一步上简化掉缓冲减振装置对各级结构横向、垂向运动的自由度关系，则横向和纵向视为完全独立的三自由度模型，建立动力学方程如下：

经过承力结构模型离散后，m1、m2、m3分别表示滑靴(5)的质量、车架(7)的质量、支承横梁(8)与超导磁体(9)的质量，k1x或k1y、k2x或k2y、k3x或k3y分别表示第1、2、3级缓冲减振装置在横向或垂向上的刚度，c1x或c1y、c2x或c2y、c3x或c3y分别表示第1、2、3级缓冲减振装置在横向或垂向上的阻尼，

x₁分别表示滑靴(5)的加速度、速度和位移，

x₂分别表示车架(7)的加速度、速度和位移，

x₃分别表示支承横梁(8)与超导磁体(9)的加速度、速度和位移，Fx(t)表示滑靴(5)与轨道(4)的横向碰撞力，Fy(t)表示滑靴(5)与轨道(4)的垂向碰撞力；

第2-2步，动力学参数的优化设计程序求解：利用优化设计程序对所述第2-1步的动力学方程进行数值求解，在优化设计中的设计变量为各级缓冲减振装置的刚度阻尼参数k1、k2、k3和c1、c2、c3，优化目标是在已知的Fx(t)和Fy(t)下各级缓冲减振装置获得最小的冲击传递系数β，该系数的计算式如下：

式中β表示冲击传递系数，

表示输入某一级缓冲减振装置的振动加速度值，

表示输出的振动加速度值。

通过这一步即获得各级缓冲减振装置的横向、垂向刚度阻尼的优化结果；

所述设计方法的第三阶段是缓冲减振装置结构设计如下：

第3-1步，缓冲减振装置结构形式的设计，根据所述第2-2步获得的刚度阻尼参数优化结果，从现有的缓冲减振装置中挑选得到动力学参数范围合理的结构形式，以及核心的弹性阻尼构件，可选的构件包括橡胶材料、液压阻尼器、钢丝绳以及金属橡胶阻尼器；

第3-2步，有限元参数化结构模型的建立。将所述3-1步选定的各级缓冲减振装置与双轨悬浮车体承力部件刚性连接，提取影响缓冲减振性能的关键结构参数，包括缓冲减振装置的构型角度、弹性阻尼构件的几何尺寸参数以及材料参数，根据结构特征建立悬浮车体和各级缓冲减振装置的有限元参数化结构模型，同时根据实际发生的碰撞振动将载荷以节点力的形式加载到滑靴受载位置；该步骤的有限元模型具有足够多的自由度，充分考虑各承力部件的结构特征，以及横向、垂向载荷的耦合作用；

第3-3步，有限元与优化设计程序联合仿真。利用有限元和优化设计平台对所述第3-2步的有限元参数化结构模型进行数值求解，在优化设计中的设计变量为各级缓冲减振装置的关键结构参数和弹性阻尼构件的材料参数，约束条件是参数范围满足所选定的缓冲减振装置结构形式，优化目标是充分考虑各种碰撞振动下，各承力部件具有最小的振动加速度和振动应力，最终形成一个多目标多变量的优化策略；该优化设计采用以下形式：

式中

表示横向加速度，

表示垂向加速度，σ_eqv表示等效振动应力，D表示各级缓冲减振装置的关键结构参数，E表示弹性阻尼构件的材料参数。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明的三级缓冲减振系统能够考虑双轨悬浮车体的承力部件在碰撞振动载荷下的载荷和变形特征，提高了系统的缓冲减振性能。现有技术是将在滑靴或者车体上设置单级的缓冲减振装置，由于双轨悬浮车体中各种承力零件所受载荷有很大差异并且振动变形模式复杂，从而导致单级的缓冲减振装置无法减缓双轨悬浮车体在不同碰撞情况下的冲击振动。本发明的三级缓冲减振系统所采用的技术特征是设计了第1级滑靴结构的缓冲装置、第2级滑靴支座的减振装置、第3级支承横梁的减振装置将主要承力部件分离：第1级滑靴结构的缓冲装置设在滑靴与轨道的三个可能发生碰撞的表面，第2级滑靴支座的减振装置设在滑靴与滑靴支座之间，将滑靴与车体底板进行分离，第3级支承横梁的减振装置设在车体侧面支板、中间支板与支承横梁之间，将车体与支承横梁分离，因此可以通过内部的弹性阻尼构件协调承力部件不同的变形模式，提高缓冲减振性能。

(2)本发明的三级缓冲减振系统设计方法提供了依据载荷和结构形式的优化设计方法，设计流程具有明确目的性。现有技术中调整缓冲减振装置的方法是首先依据工程经验选取成熟应用、性能合理的减振器，然后通过数值仿真或者试验方法调整减振器的结构尺寸，调整过程往往需要反复的迭代修改，具有较长的研发周期和较高的研发成本。本发明的三级缓冲减振系统设计方法所采用的技术特征是依次进行系统功能设计、动力学参数设计和缓冲减振装置结构设计：系统功能设计通过载荷和结构分析获得三级缓冲减振系统的总体结构布局，动力学参数设计通过三自由度动力学模型的建立和优化求解获得刚度、阻尼参数的合理范围，缓冲减振装置结构设计通过有限元与优化设计程序联合仿真获得三级缓冲减振系统最终的优化结构，可以获得性能最优、结构合理的三级缓冲减振系统设计结果，显著缩短研发周期，并节约试验成本。

附图说明

图1是本发明的滑靴与轨道碰撞接触状态示意图；

图2是本发明的设计方法流程图；

图3是本发明实施例的双轨悬浮车体承力部件的结构简图；

图4是本发明实施例的缓冲减振系统总体布局示意图；

图5是本发明实施例的二自由度弹簧-质点模型示意图；

图6是本发明实施例的缓冲减振装置的结构设计结果示意图；

图7是本发明实施例的第1级滑靴结构的缓冲装置结构参数示意图；

图8是本发明实施例的第2级滑靴支座的减振装置结构参数示意图；

图9是本发明实施例的第3级的中间减振器结构参数示意图；

图10是本发明实施例的第3级的侧面减振器结构参数示意图；

图11是本发明实施例的有限元参数化实体单元模型示意图。

图中：1.第1级滑靴结构的缓冲装置，1a.顶面缓冲装置，1b.侧面缓冲装置，1c.底面缓冲装置，2.第2级滑靴支座的减振装置，2a.减振器底座，2b.减振器外壳，2c.2级第一金属橡胶，2d.2级第二金属橡胶，2e.减振器芯柱，3.第3级支承横梁的减振装置，3a.第3级的中间减振器，3b.第3级的侧面减振器，4.轨道，5.滑靴，6.滑靴支座，7.车架，7a.底板，7b.侧面支板，7c.顶板，7d.中间支板，7e.中间支板端盖，8.支承横梁，9.超导磁体。

图中：h11.顶面缓冲装置高度，h12.侧面缓冲装置高度，h13.底面缓冲装置高度，d2.第2级的第一金属橡胶外径，h2.第2级的第一金属橡胶外径高度，d31.第3级的中间减振器外径，h31.第3级的中间减振器高度，d32.第3级的侧面减振器外圈外径，d33.第3级的侧面减振器内圈外径，h32.第3级的侧面减振器外圈高度，h33.第3级的侧面减振器内圈高度。

图中：K1x.第1级横向弹簧元件，K1y.第1级垂向弹簧元件，K2x.第2级横向弹簧元件，K2y.第2级垂向弹簧元件，K3x.第3级横向弹簧元件，K3y.第3级垂向弹簧元件，C1x.第1级横向阻尼元件，C1y.第1级垂向阻尼元件，C2x.第2级横向阻尼元件，C2y.第2级垂向阻尼元件，C3x.第3级横向阻尼元件，C3y.第3级垂向阻尼元件，M1.滑靴的质量元件，M2.车架的质量元件，M3.支承横梁与超导磁体的质量元件，Fx(t).滑靴与轨道的横向碰撞力，Fy(t).滑靴与轨道的垂向碰撞力。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明实施例考虑双轨悬浮车体的碰撞包含滑靴与轨道在不同接触位置发生碰撞的载荷状态：1)当悬浮车体在正常运行时滑靴与轨道的每个表面均不发生接触，见图1中的(a)；2)当悬浮车体受到的悬浮力小于重力，悬浮车体突然向下运动，滑靴与轨道的上边缘发生接触，见图1中的(b)；3)当悬浮车体受到的悬浮力大于重力，悬浮车体突然向上运动，滑靴与轨道的下边缘发生接触，见图1中的(c)；4)当悬浮车体受到横向力，悬浮车体突然向一侧运动，滑靴与轨道的一侧边缘发生接触，见图1中的(d)。

如图2所示，本发明实施例所述的双轨悬浮车体适应碰撞振动的三级缓冲减振方法需要通过以下三个设计步骤实现：系统功能设计、动力学参数设计和缓冲减振装置结构设计，用以获得性能最优、结构合理的三级缓冲减振系统设计结果。

1.第一阶段系统功能设计的具体实施方式如下：

第1-1步，承力部件载荷分析。在不安装缓冲减振系统的状态下，建立悬浮车体-滑靴结构的有限元实体模型，分别在滑靴的上配合面、下配合面和侧配合面加载静力，基于ANSYS有限元软件计算获得静载荷下的应力和变形结果。由应力在结构件上的分布情况，最终确定主要承力部件依次是滑靴5、滑靴支座6、车架7和支承横梁8，需要进行振动冲击隔离的设备是车体两侧的超导磁体9。

第1-2步，缓冲减振系统总体布局。如图3所示，将第1-1步获得的承力部件保留结构特征、简化为材料力学中的杆、轴、梁、板壳等典型构件，本发明实施例是将滑靴支座6简化为斜梁，车架7简化为底板7a、侧面支板7b、顶板7c和中间支板7d，支承横梁8简化为横梁，超导磁体9简化为质量块，最终绘制悬浮车体-滑靴系统的结构简图。根据上述构件的约束边界和固有振动模式，在结构差异大的构件之间引入缓冲减振装置将其相互隔离，最终获得三级缓冲减振系统的总体结构布局。

如图4所示，本发明实施例的三级缓冲减振系统的结构布局设计结果为：

1)第1级滑靴结构的缓冲装置1包括顶面缓冲装置1a、侧面缓冲装置1b和底面缓冲装置1c：顶面缓冲装置1a安装在滑靴5C形凹槽的上表面，用于将轨道4与滑靴5的上边缘接触面隔离；侧面缓冲装置1b安装在滑靴5C形凹槽的侧表面，用于将轨道4与滑靴5的侧边缘接触面隔离；底面缓冲装置1c安装在滑靴5C形凹槽的下表面，用于将轨道4与滑靴5的下边缘接触面隔离；

2)第2级滑靴支座的减振装置2安装在滑靴支座6上，用于将滑靴4与车架7的下表面隔离；

3)第3级支承横梁的减振装置3安装在车架7的侧面支板7b、中间支板7d上，用于将车架7与支承横梁8隔离。

2.第二阶段动力学参数设计的具体实施方式如下：

第2-1步，三自由度动力学模型的建立。如图5所示，根据缓冲减振系统的总体布局把双轨悬浮车体进行结构划分，将车体离散为三自由度的质点元件，仅带有质量参数，缓冲减振装置离散为弹簧元件与阻尼元件，仅带有刚度阻尼参数。本发明实施例将第1级滑靴结构的缓冲装置1离散为垂向弹簧元件K1y与垂向阻尼元件C1y、横向弹簧元件K1x与横向阻尼元件C1x，一端固定、另一端与滑靴5的质量元件M1连接；第2级滑靴支座的减振装置2离散为垂向弹簧元件K2y与垂向阻尼元件C2y、横向弹簧元件K2x与横向阻尼元件C2x，一端与滑靴5的质量元件M1连接、另一端与车架7的质量元件M2连接；第3级支承横梁的减振装置3离散为垂向弹簧元件K3y与垂向阻尼元件C3y、横向弹簧元件K3x与横向阻尼元件C3x，一端与车架7的质量元件M2连接、另一端与支承横梁8和超导磁体9的质量元件M3连接。将滑靴5与轨道4的横向碰撞提取出随时间变化的碰撞力Fx(t)，垂向碰撞提取出随时间变化的碰撞力Fy(t)。在这一步上简化掉缓冲减振装置对各级结构横向、垂向运动的自由度关系，那么横向和纵向可以视为完全独立的三自由度模型，建立动力学方程如下：

经过承力结构模型离散后，m1、m2、m3分别表示滑靴5的质量、车架7的质量、支承横梁8与超导磁体9的质量，k1x(k2y)、k2x(k2y)、k3x(k3y)分别表示第1、2、3级缓冲减振装置在横向(垂向)上的刚度，c1x(c1y)、c2x(c2y)、c3x(c3y)分别表示第1、2、3级缓冲减振装置在横向(垂向)上的阻尼，

x₁分别表示滑靴5的加速度、速度和位移，

x₂分别表示车架7的加速度、速度和位移，

x₃分别表示支承横梁8与超导磁体9的加速度、速度和位移，Fx(t)表示滑靴5与轨道4的横向碰撞力，Fy(t)表示滑靴5与轨道4的垂向碰撞力。

第2-2步，动力学参数的优化设计程序求解。利用优化设计程序对所述第2-1步的动力学方程进行数值求解，在优化设计中的设计变量为各级缓冲减振装置的刚度阻尼参数k1、k2、k3和c1、c2、c3，优化目标是在已知的Fx(t)和Fy(t)下各级缓冲减振装置获得最小的冲击传递系数β，该系数的计算式如下：

式中β表示冲击传递系数，

表示输入某一级缓冲减振装置的振动加速度值，

表示输出的振动加速度值。

通过这一步即可获得各级缓冲减振装置的横向、垂向刚度阻尼的优化结果。

3.第三阶段缓冲减振装置结构设计的具体实施方式如下：

第3-1步，缓冲减振装置结构形式的设计。根据所述第2-2步获得的刚度阻尼参数优化结果，从现有的缓冲减振装置中挑选得到动力学参数范围合理的结构形式，以及核心的弹性阻尼构件，可选的构件包括橡胶材料、液压阻尼器、钢丝绳以及金属橡胶阻尼器等。本发明实施例根据第2-2步的缓冲减振装置的刚度阻尼优化结果，同时考虑尽可能减小安装空间，各级选取金属橡胶阻尼器，并设计适合安装空间的缓冲减振装置的结构形式。

本发明实施例选取金属橡胶阻尼器作为第1级滑靴结构的缓冲装置1、第2级滑靴支座的减振装2、第3级支承横梁的减振装置3。

如图6、图7所示，第1级滑靴结构的缓冲装置1包括顶面缓冲装置1a、侧面缓冲装置1b、底面缓冲装置1c，通过螺钉安装到滑靴5内部：顶面缓冲装置1a高出滑靴5C形凹槽的上表面1mm，当滑靴与轨道发生上边缘接触时，顶面缓冲装置1a产生压缩从而起到缓冲作用；侧面缓冲装置1b高出滑靴5C形凹槽的侧表面1mm，当滑靴与轨道发生侧边缘接触时，侧面缓冲装置1b产生压缩从而起到缓冲作用；底面缓冲装置1c高出滑靴5C形凹槽的下表面1mm，当滑靴与轨道发生下边缘接触时，底面缓冲装置1c产生压缩从而起到缓冲作用；

如图6、图8所示，第2级滑靴支座的减振装置2包括减振器底座2a、减振器外壳2b、2级第一金属橡胶2c、2级第二金属橡胶2d、减振器芯柱2e：2级第一金属橡胶2c和2级第二金属橡胶2d为空心圆柱体，分别安装到减振器外壳2b与减振器芯柱2e之间，当受到沿着轴线的压缩载荷时，2级第一金属橡胶2c产生压缩变形，当受到沿着轴线的拉伸载荷时，2级第二金属橡胶2d产生压缩变形，从而发挥缓冲减振功能。

如图6、图7、图9、图10所示，第3级支承横梁的减振装置3包括第3级的中间减振器3a和第3级的侧面减振器3b：第3级的中间减振器3a为空心圆柱体，安装到支承横梁8与中间支板7d之间，中间支板7d在中间减振器3a的安装位置设有一个环形凹槽，中间减振器3a安装到所述环形凹槽内部，并由中间支板端盖7e压紧；第3级的侧面减振器3b为带有台阶的空心圆柱体，安装到支承横梁8与侧面支板7b之间，侧面减振器3b的外径与侧面支板7b的台阶配合，侧面减振器3b的内径与支承横梁8的台阶配合。

第3-2步，有限元参数化结构模型的建立。将所述3-1步选定的各级缓冲减振装置与悬浮车体承力部件刚性连接，提取影响缓冲减振性能的关键结构参数，包括第1级滑靴结构的缓冲装置1的顶面缓冲装置高度h11、侧面缓冲装置高度h12、底面缓冲装置高度h13，第2级滑靴支座的减振装置2的第2级的第一金属橡胶外径d2、第2级的第一金属橡胶外径高度h2，第3级支承横梁的减振装置3的第3级的中间减振器外径d31、第3级的中间减振器高度h31、第3级的侧面减振器外圈外径d32、第3级的侧面减振器内圈外径d33、第3级的侧面减振器外圈高度h32、第3级的侧面减振器内圈高度h33。

如图11所示，根据结构特征建立悬浮车体和各级缓冲减振装置的有限元参数化结构模型，同时根据实际发生的碰撞振动可以将载荷以节点力的形式加载到滑靴受载位置。该步的有限元模型具有足够多的自由度，可以充分考虑各承力部件的结构特征，以及横向、垂向载荷的耦合作用。

第3-3步，有限元与优化设计程序联合仿真。利用有限元和优化设计平台对所述第3-2步的有限元参数化结构模型进行数值求解，在优化设计中的设计变量为各级缓冲减振装置的所述第3-2步的结构参数和弹性阻尼构件的材料参数等，约束条件是参数范围满足所选定的缓冲减振装置结构形式，优化目标是充分考虑各种碰撞振动下，各承力部件具有最小的振动加速度和振动应力，最终可以形成一个多目标多变量的优化策略。该优化设计可以写作以下形式：

式中

表示横向加速度，

表示垂向加速度，σ_eqv表示等效振动应力，D表示各级缓冲减振装置的关键结构参数，E表示弹性阻尼构件的材料参数。

本发明实施例通过所述的三级缓冲减振系统设计方法获得了性能优化、结构合理的缓冲减振装置，最终设计结果的垂向上冲击传递系数为0.157，横向上冲击传递系数为0.03，缓冲性能显著超过了一般的单级缓冲减振装置，说明本发明实施例设计得到的三级缓冲减振系统具备优秀性能。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制。尽管参照优选实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围以内。

Claims (1)

1.一种双轨悬浮车体适应碰撞振动的三级缓冲减振系统设计方法，其特征在于：所述方法依次通过系统功能设计、动力学参数设计和缓冲减振装置结构设计，步骤实现如下：

第一阶段是系统功能设计：

第1-1步，承力部件载荷确定：根据不同碰撞振动的载荷分析，获得可能出现滑靴与轨道上边缘接触、下边缘接触和一侧边缘接触以及同时接触的受力状态；由悬浮车体-滑靴结构系统在相同接触位置、静载荷下的仿真分析确定主要承力部件，确定承力部件在不同碰撞振动可能产生的应力和变形；

第1-2步，基于双轨悬浮车体适应碰撞振动的三级缓冲减振系统构建缓冲减振系统总体布局：通过确定的承力部件在不同碰撞振动可能产生的应力和变形，最终获得三级缓冲减振系统的总体结构布局；

所述设计方法的第二阶段是动力学参数设计如下：

第2-1步，三自由度动力学模型的建立，根据缓冲减振系统的总体布局把双轨悬浮车体进行结构划分，将车体离散为三自由度的质点元件，只带有质量参数，缓冲减振装置离散为弹簧元件与阻尼元件，带有刚度阻尼参数，将滑靴与轨道的横向碰撞提取出随时间变化的碰撞力Fx(t)，垂向碰撞提取出随时间变化的碰撞力Fy(t)，简化缓冲减振装置对各级结构横向、垂向运动的自由度关系，则横向和纵向视为完全独立的三自由度模型，建立动力学方程如下：

经过承力结构模型离散后，m1、m2、m3分别表示滑靴(5)的质量、车架(7)的质量、支承横梁(8)与超导磁体(9)的质量，k1x或k1y、k2x或k2y、k3x或k3y分别表示第1、2、3级缓冲减振装置在横向或垂向上的刚度，c1x或c1y、c2x或c2y、c3x或c3y分别表示第1、2、3级缓冲减振装置在横向或垂向上的阻尼，

x₁分别表示滑靴(5)的加速度、速度和位移，

x₂分别表示车架(7)的加速度、速度和位移，

x₃分别表示支承横梁(8)与超导磁体(9)的加速度、速度和位移，Fx(t)表示滑靴(5)与轨道(4)的横向碰撞力，Fy(t)表示滑靴(5)与轨道(4)的垂向碰撞力；

第2-2步，动力学参数的优化设计程序求解：利用优化设计程序对所述第2-1步的动力学方程进行数值求解，在优化设计中的设计变量为各级缓冲减振装置的刚度阻尼参数k1、k2、k3和c1、c2、c3，优化目标是在已知的Fx(t)和Fy(t)下各级缓冲减振装置获得最小的冲击传递系数β，该传递系数的计算式如下：

式中β表示冲击传递系数，

表示输入某一级缓冲减振装置的振动加速度值，

表示输出的振动加速度值；

通过这一步获得各级缓冲减振装置的横向、垂向刚度阻尼的优化结果；

所述设计方法的第三阶段是缓冲减振装置结构设计如下：

第3-1步，缓冲减振装置结构形式的设计，根据所述第2-2步获得的刚度阻尼参数优化结果，从现有的缓冲减振装置中挑选得到动力学参数范围合理的结构形式，以及核心的弹性阻尼构件，可选的构件包括橡胶材料、液压阻尼器、钢丝绳以及金属橡胶阻尼器；

第3-2步，有限元参数化结构模型的建立，将所述第 3-1步选定的各级缓冲减振装置与双轨悬浮车体承力部件刚性连接，提取影响缓冲减振性能的关键结构参数，包括缓冲减振装置的构型角度、弹性阻尼构件的几何尺寸参数以及材料参数，根据结构特征建立悬浮车体和各级缓冲减振装置的有限元参数化结构模型，同时根据实际发生的碰撞振动将载荷以节点力的形式加载到滑靴受载位置；

第3-3步，有限元与优化设计程序联合仿真，利用有限元和优化设计平台对所述第3-2步的有限元参数化结构模型进行数值求解，在优化设计中的设计变量为各级缓冲减振装置的关键结构参数和弹性阻尼构件的材料参数，约束条件是参数范围满足所选定的缓冲减振装置结构形式，优化目标是充分考虑各种碰撞振动下，各承力部件具有最小的振动加速度和振动应力，最终形成一个多目标多变量的优化策略；该优化设计采用以下形式：

式中

表示横向加速度，

表示垂向加速度，σ_eqv表示等效振动应力，D表示各级缓冲减振装置的关键结构参数，E表示弹性阻尼构件的材料参数；

所述第1-2步中，基于双轨悬浮车体适应碰撞振动的三级缓冲减振系统构建缓冲减振系统总体布局包括：第1级滑靴结构的缓冲装置(1)、第2级滑靴支座的减振装置(2)和第3级支承横梁的减振装置(3)；

第1级滑靴结构的缓冲装置(1)，直接承受滑靴与轨道之间产生的冲击和碰摩载荷，减小滑靴的应力，保护滑靴不产生结构损伤和破坏；所述第1级滑靴结构的缓冲装置(1)设在滑靴上，位置靠近滑靴与轨道的接触表面，由于所保护的位置不同，第1级滑靴结构的缓冲装置(1)分为顶面缓冲装置(1a)、侧面缓冲装置(1b)和底面缓冲装置(1c)：在车体悬浮运行的过程中，如果出现车体所受的重力大于悬浮力的情况，则所述顶面缓冲装置(1a)将与轨道上表面发生碰撞，对滑靴顶部结构进行缓冲减振；如果出现车体所受的悬浮力大于重力的情况，则所述底面缓冲装置(1c)将与轨道下表面发生碰撞，对滑靴底部结构进行缓冲减振；如果出现车体受到额外的横向载荷作用，则侧面缓冲装置(1b)将与轨道侧表面发生碰撞，对滑靴侧面结构进行缓冲减振；

第2级滑靴支座的减振装置(2)，同时减弱从滑靴传递过来的垂向和横向上的冲击振动，减小滑靴支座(6)及车体的振动加速度；所述第2级滑靴支座的减振装置(2)设在滑靴(5)与滑靴支座(6)之间，所述第2级滑靴支座的减振装置(2)的轴线与水平面形成夹角，通过内部的弹性阻尼构件减弱滑靴(5)与滑靴支座(6)在垂向和横向上的刚度，达到缓冲减振的功能；

第3级支承横梁的减振装置(3)，减弱车体向支承横梁(8)传递的垂向和横向上的冲击振动，减小支承横梁(8)和超导磁体(9)的振动加速度；所述第3级支承横梁的减振装置(3)设在车架(7)的侧面支板(7b)、中间支板(7d)上，位置靠近所述侧面支板(7b)、中间支板(7d)与支承横梁(8)的接触表面上，所述第3级支承横梁的减振装置(3)分为侧面减振装置(3a)和中间减振装置(3b)，所述侧面减振装置(3a)对垂向和横向载荷进行减振，中间减振装置(3b)对垂向载荷进行减振。

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