高速列车受电弓的非线性随机动力学与最优主动控制研究

本项目将非线性随机动力学与控制的理论方法，特别是拟Hamilton系统随机平均法与动态规划原理应用于高速列车受电弓的非线性随机动力学与最优主动控制的研究。将接触网不平顺、列车车体振动以及随机气动抬升力以随机输入的形式引入到高速列车受电弓的非线性动力学模型，运用随机平均法得到高速列车受电弓的随机响应、受流稳定性、受流可靠性以及参数敏感度的预测；并结合动态规划原理，研究以受电弓振幅最小、受流稳定性最大或受流可靠性最大等为目标的随机最优主动控制。以京津线高速列车上使用的SSS400+型受电弓为例，将理论结果与在线测试结果相比较验证其有效性。通过本项目的研究，掌握高速列车受电弓的随机动力学特性及最优控制方法，为研制适合我国国情的时速350公里以上的高速列车受电弓提供理论基础。

通过三年的研究，完成了高速列车受电弓的非线性随机动力学特性和随机最优主动控制理论研究，并将理论成果应用于铁路工程实际当中，完成了既定研究任务。具体取得的研究成果如下：.1. 在受电弓系统非线性建模方面。搭建了受电弓振动测试平台，开展了高速受电弓的模态试验研究，为受电弓的理论建模提供支撑。根据研究目的不同建立了多种受电弓理论模型：包括(a) 建立了考虑受电弓底座阻尼器非线性的动力学简化模型；(b) 建立考虑受电弓弓头悬挂刚度强非线性的动力学简化模型；(c) 建立了符合实际工况的多自由度受电弓动力学模型；(d) 建立受电弓的非线性杆件模型。.2. 在受电弓系统激励环境建模方面。分析了引起受电弓较大振幅响应的主要激励源，并建立了主要激励源的数学模型，激励包括周期和随机两部分。.3. 在受电弓动力学特性研究方面。根据前面建立的理论模型，分别完成了受电弓的运动学和动力学特性研究。(a)针对受电弓杆件模型，完成了受电弓机构的升降弓轨迹计算以及受电弓系统归算质量计算，为受电弓动力学分析提供模型参数输入；(b)完成了考虑车体随机振动和底座阻尼非线性的受电弓随机动力学特性研究；(c)完成了考虑接触网不平顺和弓头悬挂非线性时受电弓的随机动力学特性研究，首次探讨了受电弓系统稳态响应的随机跳跃和分叉；(d) 研究了计及非稳态气动力时高速受电弓的动力学特性；(e)建立了国内高铁线路接触网不平顺谱，研究了接触网不平顺对弓网耦合振动的影响规律。.4. 在受电弓的主动控制研究方面。提出了考虑车体振动或接触网不平顺时高速受电弓的非线性主动控制规律，研究了控制力时滞对控制力执行效果的影响规律，并探讨了控制力时滞的补偿方法。.5.建立了高速受电弓的多自由度模型和接触网的有限元模型，开发了弓网动力学虚拟试验平台。该平台可以实现不同弓型（SSS400，DSA380等），不同网结构（单链，弹链等），不同运行工况（单弓、多弓，各速度等级等）下弓网耦合动力学特性的仿真计算和分析，仿真结果得到EN50318标准中结果的验证。.通过三年研究，发表（含录用）学术论文9篇，其中SCI、EI收录论文7篇，参加国际学术交流3次，参与国际会议2次。协助培养硕士学位论文1篇。