吳宇鵬，劉林芽，李紀陽

(華東交通大學鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西南昌330013)

不同輪軌型面匹配對車橋耦合系統(tǒng)振動的影響

吳宇鵬，劉林芽，李紀陽

(華東交通大學鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西南昌330013)

為研究不同輪軌型面匹配在車橋耦合系統(tǒng)的動力響應，結(jié)合32 m鐵路簡支箱梁，在Ansys中建立橋梁模型，在Simpack中建立車輛模型，考慮LM和LMA兩種車輪踏面計算車橋耦合系統(tǒng)的動力響應，并用橋梁的位移、加速度和車輛的平穩(wěn)性等指標進行評價。研究結(jié)果表明:在相同的速度下使用LM踏面比使用LMA踏面的車橋耦合系統(tǒng)的動力響應要大，尤其是在車輛橫向動力方面，如車輛橫向加速度、輪軸橫向力、車體橫向平穩(wěn)性等;隨著速度的增大使用LMA踏面比使用LM踏面減小車橋耦合動力響應的效果更好，有利于提升車輛的舒適性和橋梁的安全性。

不同車輪型面 車橋耦合 多體動力學 有限元 動力響應

高速列車通過橋梁時產(chǎn)生的沖擊力使橋梁產(chǎn)生變形和振動。同時橋梁的變形和振動對車輛行駛時的安全性和舒適度會產(chǎn)生影響。因此車橋耦合是一個相互作用相互影響的系統(tǒng)。研究車橋耦合振動一般分為兩個部分，即上部為車輛結(jié)構(gòu)，下部為橋梁結(jié)構(gòu)，二者通過車上的輪對和橋上的鋼軌進行接觸實現(xiàn)力的相互傳遞，從而實現(xiàn)耦合。輪軌接觸就涉及到了輪軌型面匹配［1］，不同輪軌型面的輪軌接觸位置會產(chǎn)生差異而導致車輛的動力特性和輪軌動態(tài)關系發(fā)生改變。目前國內(nèi)研究車橋耦合振動的方法有:理論編程、現(xiàn)場試驗和數(shù)值仿真等［2-5］。這幾種方法各有優(yōu)劣:理論編程條理性好有助于加深理解整個車橋耦合過程，但是對編程者的理論和編程能力要求高，對于復雜的模型編程難度大;現(xiàn)場實測可以更加直觀地反映車橋耦合動力響應的情況，但由于有時受試驗條件限制和其他因素的影響不能對所有的工況都進行實測;數(shù)值仿真可以對許多的工況和由于試驗條件受限無法通過實測的工況進行模擬，但是對模型建立精度要求高且要與實際結(jié)合是難點。本文采用一種新的聯(lián)合仿真的方法對不同輪軌型面匹配對車橋系統(tǒng)的影響進行分析。

1 數(shù)值分析模型

1.1 橋梁模型的建立

本文的橋梁模型用鐵路中最常見的箱形梁，即以京滬高速鐵路采用的32 m單跨簡支箱梁建模。橋梁在有限元軟件Ansys中建模生成，橋梁的截面參數(shù)見圖1，橋梁的有限元模型見圖2。

圖1 橋梁1/2截面(單位:cm)

圖2 橋梁有限元模型

1.2 車輛模型的建立

車輛的模型用德國多體動力學軟件Simpack進行建模［6-8］。列車系統(tǒng)的多體動力學模型通過鉸接、剛體、力元、約束以及輪軌接觸模型等來形成一系列的動力學方程。一輛車可以認為由一個車體、兩個轉(zhuǎn)向架、四個輪對等七個剛體組成，其中連接這些剛體的部件還可分為一、二系彈簧、橫向減振器、垂向減振器，抗蛇行減振器、抗側(cè)滾扭桿、牽引拉桿、橫向止擋等。本文車輛模型以國內(nèi)某客車的參數(shù)為基礎，每個剛體考慮伸縮、橫擺、浮沉、點頭、側(cè)滾、搖頭6個自由度，由于左右輪上各有一個約束，所以車輛共34個自由度。本文考慮到實際的工況以八節(jié)車為一個編組進行建模。

1.3 車橋耦合模型實現(xiàn)

本文使用聯(lián)合仿真的方法將橋梁模型在Ansys中進行子結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析處理，得到多體動力學軟件和有限元接口程序Fembs可以識別的文件，最終可以將Ansys模型導入到Simpack中進行剛?cè)狁詈线\算。這里介紹Simpack中進行剛?cè)狁詈系挠嬎惴椒ǎ?-10］:在Simpack中一般將車輛也就是上部結(jié)構(gòu)看成剛體，將有限元中的橋梁即下部結(jié)構(gòu)看成是柔性體(可以產(chǎn)生變形的物體)。車輛和橋梁通過橋梁上的輪軌接觸點實現(xiàn)力、位移、速度等的交換。模型導入成功后需要在軌道上施加激勵和設置相關的軌道參數(shù)，這樣最終得到可以計算的車橋耦合模型。具體步驟如圖3所示。

圖3 Ansys導入Simpack過程

1.4 不同輪軌型面匹配選取

文獻［11］中考慮不同輪軌型面匹配對車輛的動力學性能的影響。本文基于該原理選取兩種不同踏面(分別為LM和LMA踏面)和中國的CN60軌進行匹配，不僅考慮其對車體的影響而且考慮了對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。由于Simpack中可以考慮不同輪軌接觸，只要選好輪對型面和鋼軌外形就可以生成輪軌接觸幾何關系，這里車輪滾動圓的半徑取430 mm，輪對內(nèi)側(cè)距取1 353 mm，軌距為1 435 mm，軌底坡取1/40。圖4和圖5分別為LMA和LM踏面的輪軌接觸幾何關系。

2 計算結(jié)果分析

通過Ansys和Simpack進行聯(lián)合仿真分析，模型按1∶1比例導入到Simpack中(在建模時要和車輛的單位一致都采用國際單位)，積分步長取0.001 s。選擇德國低干擾譜作為軌道不平順譜，選取車速300，240，180，120 km/h 4種不同工況對列車通過橋梁下行線時不同踏面情況下的振動響應進行研究。圖6—圖10列出車速300 km/h工況車輛和橋梁的部分響應進行對比，其余工況見表1和表2。坐標系的選取為車輛前進方向為X正向，重力方向為Z正向，Y方向滿足右手法則。

圖4 LMA踏面的輪軌接觸幾何關系

圖5 LM踏面的輪軌接觸幾何關系

圖6 300km/h橋梁跨中橫向位移

分析結(jié)果顯示:在300 km時速下不同輪軌踏面對橋梁的豎向位移和加速度的影響差別不大，對于橋梁的橫向位移和加速度使用LM踏面要比LMA踏面要大一點(圖6、圖7)。計算還顯示:除了車體的豎向加速度外，對于車輛的脫軌系數(shù)、輪軸橫向力和車體橫向加速度使用LM踏面比LMA踏面都要大(圖8—圖10)。結(jié)合表1和表2可以看出:隨著速度的增大使用LM踏面比使用LMA踏面對橋梁的動力響應有所增大但不是十分明顯。這與橋梁的結(jié)構(gòu)與剛度有關;而對車輛動力響應來說，使用LM踏面比LMA踏面除豎向加速度及豎向平穩(wěn)性外，其余增大較為明顯，尤其是在橫向舒適度這方面。這與文獻［11］中的結(jié)果相一致，驗證了結(jié)果的可靠性。本文選用的是德國低干擾譜施加的輪軌激勵，如果實際線路的情況不是良好的話可能對車輛和橋梁的影響還要更大。

圖7 300 km/h橋梁跨中橫向加速度

圖8 300 km/h車輛脫軌系數(shù)

圖9 300 km/h輪軸橫向力

圖10 300 km/h車體橫向加速度

表1 不同輪軌踏面過橋時橋梁最大動力響應

表2 不同輪軌踏面過橋時車輛最大動力響應

3 結(jié)論

本文使用多體動力學軟件和有限元進行聯(lián)合仿真，利用其各自的建模優(yōu)勢進行組合，提高了模型的建模和計算的效率。同時比以前單純用有限元計算成本低，用時少而且可視效果好，更加形象地表現(xiàn)車橋耦合模型。同時，對比了不同踏面下車橋耦合的動力響應，主要結(jié)論如下:

1)本文考慮了兩種踏面LMA和LM。由于這兩種踏面的外型和等效錐度都有所差異導致輪軌接觸幾何關系發(fā)生改變，從而影響一系列相關參數(shù)進而使列車和橋梁的動力響應發(fā)生改變。

2)通過LM踏面和LMA踏面過橋時的車輛和橋梁動力響應可以看出，隨著速度的提高車橋耦合系統(tǒng)的動力響應都有增大的趨勢。在速度較高的情況下使用LMA踏面可以降低橋梁的動力響應，特別是對車輛的各項指標降低效果較為明顯。這說明選用LMA踏面比選用LM踏面更適合于車輛高速運行，使得列車和橋梁的安全性能都有所提升。這也驗證了LMA踏面比LM踏面能更好地滿足高速鐵路的型面匹配。

［1］梁樹林，樸明偉，張祥杰，等.高速車輛橫向穩(wěn)定性的非線性影響因素研究［J］.鐵道學報，2009，31(5):23-30.

［2］張楠，夏禾.鐵路橋梁在高速列車作用下的動力響應分析［J］.工程力學，2005，22(3):144-151.

［3］周勇，蘇永華，孫金更，等.海南東環(huán)鐵路跨度32 m雙線組合簡支箱梁試驗研究［J］.鐵道建筑，2014(3):1-5.

［4］朱志輝，余志武，蔣麗忠，等.高速鐵路橋梁及場地土交通振動分析［J］.振動工程學報，2012，25(5):548-555.

［5］李慧樂，夏禾，張楠，等.基于車橋耦合動力分析的橋梁動應力計算方法［J］.中國鐵道科學，2015，36(1):68-74.

［6］崔圣愛，祝兵，黃志堂.不同輪軌接觸模型在車橋耦合振動中的比較［J］.應用力學學報，2010，27(1):63-69.

［7］繆炳榮，羅仁，王哲，等.SIMPACK動力學分析高級教程［M］.成都:西南交通大學出版社，2010.

［8］嚴雋耄，傅茂海.車輛工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［9］陳新華，黃志輝，卜繼玲.基于ANSYS與SIMPACK聯(lián)合仿真的柔性輪對動力學仿真分析［J］.機車電傳動，2014 (2):41-45.

［10］朱偉，戚鐵，賈亮.基于simpack的鋼桁梁斜拉橋車—橋系統(tǒng)動力性能分析［J］.鐵道標準設計，2014，58(7):89-94.

［11］肖廣文，肖新標，溫澤峰，等.高速客車輪對動力學性能的比較［J］.鐵道學報，2008，30(6):29-35.

Influence of different wheel-rail profile match on vehicle-bridge system coupled vibration

WU Yupeng，LIU Linya，LI Jiyang
(Engineering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise，Ministry of Education，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi 330013，China)

In order to study the dynamic response of vehicle-bridge coupling system with different wheel-rail profiles，a 32 m simply supported box girder was analyzed.A finite element bridge model was built with ANSYS and vehicle model with SIM PACK.LM and LM A wheel treads were considered for the calculation of dynamic response of vehicle-bridge coupling system，which was evaluated from displacement，acceleration of the bridge and vehicle stability，etc.T he dynamic responses of the system with LM，especially the transverse responses including transverse acceleration，wheel-rail lateral force，lateral stability of cars，are greater than that with LM A when the speed is the same.As the speed increases，the advantage of LM A outweighs LM in terms of the dynamic effect.T he former is beneficial to the comfort and safety.

Different wheel profile;Vehicle-bridge coupling;M ulti-body dynamics;Finite element;Dynamic response

U441+.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.06

1003-1995(2015)12-0022-04

(責任審編孟慶伶)

2015-06-30;

2015-10-15

國家自然科學基金項目(51268014)

吳宇鵬(1990—)，男，碩士研究生。