车辆摩擦制动系统非线性动力学研究

Along with the development of city and intercity rapid rail transit, requirements in quiet, comfortable and environmentally friendly on the vehicles are increasing. Reducing or eliminating the noise of vehicles is one of the important aspects of the demand. Brake noise is one of the main sources of vehiclenoise, caused byvibration of structure. Because of the complex structure and multiple influence factors, there is no general prevention theory up to now. Aiming at the characteristics of structure and friction of the foundation braking equipment of trains, this project will establish the combined equations of structure dynamics, in which localized contacting, nonlinear and time-varying factors from friction are included,for noise vibration analysis. The methods of discontinuous basis functions and the proper orthogonal decomposition (POD-Galerkin) will be applied in combinations for effective and reasonal order reduction of the system. Application of effective numerical simulation combined with nonlinear dynamic analysis will be carried out to comprehensively study the generating condition, form and the evolution of complex processes of the self-excited stick-slip vibration and structure instability vibration. By revealing the structure parameters and the braking conditions on the noise vibration, the design method of structural parameters will be brought forward. This project provides a theoretical basis for design of braking systems free of noise, and promotes study on dynamics and control of high-demension system with localized strong nonlinearities.

随着城市和城际快速轨道交通的发展，人们对车辆行驶中安静、舒适和环境友好性的要求随之提高，减小或消除车辆噪声的需求是其中重要的方面。摩擦制动噪声是行驶车辆的主要噪声源之一，由结构振动引起。由于结构复杂、影响因素多，迄今没有通用的预防理论。本项目针对列车盘形制动装置的结构和材料摩擦特点，建立分析噪声振动的结构动力学联合方程，包含来自局部接触、摩擦非线性和参数时变因素。应用非连续基函数方法与特征正交分解相结合的方法，对系统进行合理的综合降维。应用有效的数值模拟结合非线性动力学分析，全面研究滞-滑自激振动和结构不稳定振动的产生条件、形式和复杂的演变过程，揭示结构参数和制动运行工况的影响规律，提出抑制噪声振动的结构参数设计方法。本项目研究为制动系统无噪声设计提供理论基础，并促进局部强非线性高维系统的动力学和控制研究。

快速轨道和公路交通蓬勃发展，在促进经济发展和出行便利的同时，噪声对环境的影响也日益突出。其中，摩擦制动噪声是除轮轨、空气动力和集电系统噪声之外的主要噪声源，建立噪声预测模型并应用于车辆设计、减小或消除车辆噪声的需要越来越迫切。.制动结构是包含局部接触和摩擦非线性的高维非光滑动力学系统，摩擦振动噪声是运动失稳和能量传递的结果。本项目通过建模、有效降维和数值模拟，揭示振动产生的条件和形式，为制动系统降噪设计提供理论基础，促进局部强非线性高维系统的动力学和控制研究。项目主要研究内容包括：摩擦制动系统振动实验，模态不稳定和模态分裂现象分析，耦合系统建模、降维和粘-滑响应机理，以及含非光滑因素结构非线性动力学响应研究等。.1）通过摩擦制动系统振动实验，验证了摩擦盘高频振动是导致制动尖叫的原因，证明摩擦结构简化的合理性，并为摩擦综合参数模型的参数值选取提供了范围。.2）采用非连续基函数揭示了局部摩擦造成制动盘模态内力和剪力突变，从而破坏结构振型的对称性，导致振动模态不稳定和模态分裂。.3）建立包含制动盘和制动块振动的联合方程，采用贝塞尔函数和幂函数进行Galerkin降维，研究载荷移动、内共振条件、基础弹性等状态和参数变化时，系统的复杂粘-滑响应，分析了产生噪声的机理。.4）研究了多种含非光滑因素的结构非线性动力学，包括含间隙二元舵面结构非线性颤振与主动控制，干摩擦碰撞作用下循环结构的振动局部化，含间隙和碰撞的高速转动及传动系统振动特性。.本项目以车辆制动系统摩擦振动对主要研究对象，对局部非光滑动力学系统开展实验、理论建模、降维和动力学机理研究，探讨研究方法适用性，并较完整地揭示局部约束、参数时变、内共振条件等重要因素对非光滑动力学的影响规律，提供一些抑制噪声产生的参数设计思路，同时还研究了其他含非光滑因素非线性结构的颤振与主动控制，有较大的理论意义和应用价值。