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仿生层级薄壁方管耐撞性数值分析及优化

机械强度 2024年第3期46卷 618-625页

作者：徐飞秦睿贤陈秉智大连交通大学机车车辆工程学院大连116028

为提高传统薄壁方管的吸能效率,受甲虫翅鞘微观小梁结构启发,提出了一种仿生层级薄壁方管(Bionic Hierarchical thin-walled Square Tube,BHST)。基于超折叠单元理论,建立了BHST平均压溃力理论模型。通过非线性有限元法分析BHST与传统... 详细信息

为提高传统薄壁方管的吸能效率,受甲虫翅鞘微观小梁结构启发,提出了一种仿生层级薄壁方管(Bionic Hierarchical thin-walled Square Tube,BHST)。基于超折叠单元理论,建立了BHST平均压溃力理论模型。通过非线性有限元法分析BHST与传统多胞薄壁方管轴向吸能特性,研究了结构参数对BHST4-2结构耐撞性的影响。结果表明,理论预测与数值模拟结果吻合,相对误差均在7%以内。BHST具有优异的耐撞性。与二阶方管边长相比,壁厚对BHST4-2结构的耐撞性影响更显著。采用径向基函数(Radial Basis Function,RBF)模型和遗传算法对BHST4-2结构进行了多目标优化,得到了结构最优参数。研究结果为设计具有优异吸能特性的薄壁方管提供了新思路。

关键词：仿生层级薄壁方管超折叠单元理论参数分析耐撞性多目标优化

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动车组车体模态频率贡献度和改进方法研究

铁道科学与工程学报 2024年

作者：周韶泽张军兆文忠大连交通大学机车车辆工程学院

针对高速列车车体低阶模态频率提升过程中，传统灵敏度分析方法存在的设计变量繁多和难以识别出优先改进部件的难题，提出了一种新颖的车体模态频率贡献度评估与结构改进方法。研究重点分析了铝合金车体板件厚度与模态频率的灵敏度关系... 详细信息

针对高速列车车体低阶模态频率提升过程中，传统灵敏度分析方法存在的设计变量繁多和难以识别出优先改进部件的难题，提出了一种新颖的车体模态频率贡献度评估与结构改进方法。研究重点分析了铝合金车体板件厚度与模态频率的灵敏度关系，并在此基础上提出了部件模态贡献度概念，推导和建立了描述部件模态频率灵敏度与贡献度的数学模型。通过对动车组车体中各铝型材的贡献度进行计算，详细分析了车顶、侧墙、底架等六大部件对前三阶模态频率的影响。研究揭示，部件模态贡献度表示了局部部件对整体结构模态影响的大小，呈现了灵敏度无法显示的全局量化指标。车顶部件对车体前三阶模态的贡献度最大，侧墙和底架居中，底架边梁、端墙和牵枕缓最小。车顶与侧墙、侧墙与底架连接处的型材，对低阶模态产生了显著影响。通过增加内外板厚度并适度降低内部筋板厚度的策略，可提升一阶垂弯模态频率。应用所提出的方法，基于车体54个部件模态贡献度，成功甄别出车顶和连接处型材等优先优化部件并进行了改进，实现了1阶垂弯模态频率从9.5Hz提升至10.2Hz，同时将车体重量增加控制在43kg以内，验证了方法的有效性和高效性，为车体模态频率的优化提供了清晰的路径。该方法具有广泛的适用性，可推广应用于其他领域的结构模态改进。

关键词：动车组车体模态频率灵敏度模态贡献度结构改进

基于自适应滑模观测器的氢燃料电池空气供应系统泄露故障容错控制

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中国电机工程学报 2024年第5期44卷 1848-1859,I0015页

作者：韩国鹏詹天旸戴朝华刘卓张杲谢卓峰陈维荣中车唐山机车车辆有限公司河北省唐山市063035 西南交通大学电气工程学院四川省成都市611730

空气泄漏是质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)系统中常出现的一类故障,并且发生概率会随着系统运行时间的增加而逐渐增大,直接影响PEMFC的性能。为此,提出基于自适应滑模观测器(adaptive slide mode observ... 详细信息

空气泄漏是质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)系统中常出现的一类故障,并且发生概率会随着系统运行时间的增加而逐渐增大,直接影响PEMFC的性能。为此,提出基于自适应滑模观测器(adaptive slide mode observer,ASMO)的容错控制策略。首先采用观测器实现泄露故障下流量重构,通过主动容错控制器调节空压机的供给流量,补偿泄漏的空气流量。同时,设计一种背压阀开度的迭代调节算法用于控制供气压力,保证稳定、合适空气供应,避免电堆出现“氧饥饿”现象。最后,基于模型在环平台对观测器以及容错控制策略进行验证与分析,结果表明:ASMO拥有比传统滑模观测器更好的收敛速度和估计精度;采用基于ASMO的容错控制策略后,系统能够在故障后恢复正常的空气供应,提高了系统整体可靠性。

关键词：质子交换膜燃料电池空气供应系统自适应滑模观测器容错控制

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动车组应急蓄电池箱的多目标优化

机械科学与技术 2024年第1期43卷 125-129页

作者：李娅娜高佳威大连交通大学机车车辆工程学院辽宁大连116028

针对动车组的应急蓄电池箱的安全问题和轻量化设计要求,综合多个优化目标对其进行优化分析。将主要部件的厚度作为设计变量,以应急蓄电池箱的总质量和和恶劣工况下的应力最小为优化目标,以其第1阶固有频率为约束函数,使用Box-Behnken设... 详细信息

针对动车组的应急蓄电池箱的安全问题和轻量化设计要求,综合多个优化目标对其进行优化分析。将主要部件的厚度作为设计变量,以应急蓄电池箱的总质量和和恶劣工况下的应力最小为优化目标,以其第1阶固有频率为约束函数,使用Box-Behnken设计方法获取样本数据。利用样本数据建立低阶多项式响应面模型,结合第三代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅲ)进行多目标优化。结果表明:相较于单一的响应面法或遗传算法,本文采用的响应面法与遗传算法结合的方式,使得优化后的参数更加合理,轻量化和安全性均得到了保障。

关键词：响应面模型 NSGA-Ⅲ Box-Behnken设计轻量化安全性

对称谐振式甚低频发/接磁电天线耦合性能研究

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电子与信息学报 2024年第6期46卷 2558-2567页

作者：王晓煜张博焱赵相晨杨西杰冯晴曹振新大连交通大学机械工程学院大连116021 大连交通大学机车车辆工程学院大连116021 东南大学信息科学与工程学院南京210096

甚低频段由于低传播损耗特性,在远距离信号传输及军事通信方面有巨大潜力。传统天线庞大物理尺寸以及复杂网络匹配限制了低频天线通信的发展。磁电(ME)天线基于声波谐振原理可以突破尺寸极限且易于阻抗匹配,在甚低频段传输具有独特优势... 详细信息

甚低频段由于低传播损耗特性,在远距离信号传输及军事通信方面有巨大潜力。传统天线庞大物理尺寸以及复杂网络匹配限制了低频天线通信的发展。磁电(ME)天线基于声波谐振原理可以突破尺寸极限且易于阻抗匹配,在甚低频段传输具有独特优势。基于此设计了P/T/P结构的发射天线和T/P/T结构的接收天线组成的新型ME天线系统。依据磁机电耦合模型分析天线在接收/发射电磁波时的规律;依据辐射模型研究近场范围内天线磁场分布情况;以声波介导激励,实现ME天线在甚低频段的发/收通信实验。实验得到在谐振频率下,ME发射/接收天线在压电占比分别在0.66, 0.34时,结构优化前较于优化后输出电压提升82.6%,通信距离提升42.2%;相较于同等尺寸电小天线辐射效率提高3个数量级;可实现传输速率为5bit/s的调制通信,依据结构优化实现了天线性能的提升。

关键词：磁电天线甚低频声波谐振结构优化辐射效率

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市域列车牵引变压器声辐射特性与降噪措施分析

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振动与冲击 2024年第2期43卷 334-342页

作者：黄佳程肖新标王奇杜星周顺元都业林西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都610031 西南交通大学电气工程学院成都610031 中车大连机车车辆有限公司城铁开发部辽宁大连116022

为了研究牵引变压器对市域列车车内噪声的影响,建立了牵引变压器电磁场-结构力场-压力声场的多物理场耦合模型和车内噪声仿真模型,分别通过变压器辐射试验和车内噪声试验验证了牵引变压器和车内噪声仿真模型的有效性。牵引变压器噪声仿... 详细信息

为了研究牵引变压器对市域列车车内噪声的影响,建立了牵引变压器电磁场-结构力场-压力声场的多物理场耦合模型和车内噪声仿真模型,分别通过变压器辐射试验和车内噪声试验验证了牵引变压器和车内噪声仿真模型的有效性。牵引变压器噪声仿真模型考虑了铁心材料的各向异性与磁致伸缩的非线性,车内噪声仿真模型考虑了车体结构特征。为了降低变压器对车内噪声的影响,根据牵引变压器辐射噪声产生机理与现场试验结果,从变压器的结构与电磁参数两方面提出了降噪措施。基于所建立的变压器和车内噪声仿真模型,对降噪措施进行了仿真分析。研究结果表明:铁心刚度增加60%与磁通密度降低10%的降噪方案,降噪效果最明显,车内噪声总值分别降低了8.2 dB(A)与4.4 dB(A),且降低铁心磁通密度在50~5000 Hz内对噪声均存在抑制作用;夹件垂向刚度与夹件横向刚度分别增加80%与60%的降噪方案,也可有效降低牵引变压器辐射噪声总值,但仅能抑制一定频率范围内的噪声。

关键词：市域列车牵引变压器声辐射车内噪声降噪

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非均匀风下列车平顺化对气动特性的影响

机械科学与技术 2024年

作者：张旺邱广宇初彦彬大连交通大学机车车辆工程学院中国中车齐齐哈尔车辆有限公司中车大连机车车辆有限公司

为探究转向架区域平顺化设计在非均匀风下对列车气动特性的影响，基于可实现的k-ε两方程湍流模型，对两种400km/h列车在不同横风类型下进行数值模拟。分析了两种风加载下列车头车气动特性的差异，并对列车表面和第一、第三转向架处的... 详细信息

为探究转向架区域平顺化设计在非均匀风下对列车气动特性的影响，基于可实现的k-ε两方程湍流模型，对两种400km/h列车在不同横风类型下进行数值模拟。分析了两种风加载下列车头车气动特性的差异，并对列车表面和第一、第三转向架处的流场结构进行了比较。研究结果表明：在非均匀风环境下，原始模型的头车气动阻力系数、升力系数和横向力系数与均匀风相比，平均差值分别为0.012、0.061和0.171。在安装全覆盖裙板后，10m/s非均匀风速下，头车的气动阻力系数和气动升力系数分别减少了42.7%和27.6%，而气动横向力系数增加了2.8%。此研究可为新一代高速列车的运行安全和气动节能设计提供参考。

关键词：高速列车横风平顺化设计转向架流场结构

高铁过电压对车载牵引供电系统的影响机理及抑制方法:系统性综述

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中国电机工程学报 2024年第12期44卷 4682-4701,I0008页

作者：肖嵩曹野吴广宁高国强郭裕钧张血琴孙传铭刘建城西南交通大学四川省成都市611756 中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东省青岛市266611

为了追求更高的牵引速度及更强的运载能力,高铁车载牵引供电系统功率容量不断提升,现有牵引供电系统及关键设备需要应对更高频次、更大幅值的过电压冲击,如何保障列车在高速运行状态下牵引系统安全、可靠地运行是如今高速列车设计面临... 详细信息

为了追求更高的牵引速度及更强的运载能力,高铁车载牵引供电系统功率容量不断提升,现有牵引供电系统及关键设备需要应对更高频次、更大幅值的过电压冲击,如何保障列车在高速运行状态下牵引系统安全、可靠地运行是如今高速列车设计面临的重要技术挑战。详细调研了过电压导致牵引供电系统出现的典型故障,归纳了高速列车中过电压的种类及相关特性,目前主流的牵引供电方式包括采用带回流线的直接供电方式与自耦变压器(automatic transformer,AT)供电方式,均是单相交流供电制式。为了保障三相负荷平衡,防止系统中负序电流的产生,传输异相电流的相邻供电臂间通过绝缘分相区进行隔离。列车在驶过分相区时需要操作车载真空断路器(vacuum circuit breaker,VCB),分合闸过程中会产生剧烈的过电压冲击;此外,“弓-网”离线电弧及“轮-轨”滚动电弧频发,也伴随着过电压。通过调研目前已构建的牵引供电系统过电压特性仿真模型,探究了过电压的产生机理及传播规律;梳理了影响过电压特性的关键因素及抑制措施;明确了未来的研究重点,即“弓-网”及“轮-轨”燃弧过电压产生的机理和影响;“多车共臂”及“多车重联”工况下过电压的传播规律;展望了“源头-路径-终端”三位一体的过电压抑制方法。

关键词：高速列车过电压真空断路器电弧弓网离线电弧 “轮-轨”滚动电弧

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高速动车组横梁应变场光纤测量与反演研究

振动．测试与诊断 2024年第2期44卷 390-396,416页

作者：王燕张子璠彭畅王光君鞠增业马龙西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室成都610031 中车青岛四方机车车辆股份有限公司青岛266111

针对高速动车组车底底架横梁的应变场反演问题,基于模态叠加法和传感器优化配置理论,提出一种根据部分测点的实测单向应变反演结构空间应变场的方法。以结构的应变模态为输入,以模态坐标独立性为目标,基于信息熵理论建立了传感器优化配... 详细信息

针对高速动车组车底底架横梁的应变场反演问题,基于模态叠加法和传感器优化配置理论,提出一种根据部分测点的实测单向应变反演结构空间应变场的方法。以结构的应变模态为输入,以模态坐标独立性为目标,基于信息熵理论建立了传感器优化配置的数学模型,再根据模态坐标和振型采用正则化方法反演结构应变场。仿真计算结果表明,无噪声干扰下,反演的精度较高,最大均方误差为9.87×10~(-12),并且正则化方法可以有效抑制噪声对结果的影响。搭建了基于光纤光栅传感系统的测试试验台,基于实测应变数据和模态结果反演应变场,结果表明,反演后的应变幅值相对误差带为1.21%~10.79%,反演数据和实测数据的均方误差带为0.80~3.69。该方法能够准确识别结构的模态坐标,为获取高速列车关键结构的应变场分布提供参考。

关键词：应变场反演传感器优化配置应变模态光纤光栅

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