， ，

(1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

高速列車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析

趙義偉1，劉永強(qiáng)1，廖英英2

(1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

研究了高速列車彈性車體對(duì)整車動(dòng)力學(xué)性能的影響。為分析彈性車體對(duì)列車運(yùn)行的影響，首先建立了車體有限元模型，計(jì)算了車體的模態(tài)，并生成模態(tài)中性文件將其導(dǎo)入VI-Rail軟件，然后將柔性車體和前、后轉(zhuǎn)向架子系統(tǒng)組裝成剛?cè)狁詈险嚹Ｐ?，分析了其?duì)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、運(yùn)行平穩(wěn)性、運(yùn)行安全性的影響。通過與剛性車體動(dòng)力學(xué)模型仿真結(jié)果的對(duì)比表明：彈性車體模型會(huì)使整車各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)略大于剛性車體模型。

高速列車；剛?cè)狁詈?；VI-Rail；動(dòng)力學(xué)仿真

0 引言

一直以來，人們?cè)趯?duì)列車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析時(shí)，傳統(tǒng)的方法是將車體等大型構(gòu)件考慮成剛體，但是，隨著機(jī)車車輛運(yùn)行速度提高，作用于機(jī)車車輛與軌道結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)態(tài)作用力增大，使系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性態(tài)愈來愈復(fù)雜，這些現(xiàn)象是由于部件的大范圍運(yùn)動(dòng)與構(gòu)件的彈性變形耦合引起的，為更好地分析部件的動(dòng)力學(xué)特性，更貼合實(shí)際，有必要從柔性體的角度來研究。在車輛動(dòng)力學(xué)仿真研究中,剛?cè)狁詈鲜蔷哂袕V泛應(yīng)用前景的發(fā)展方向之一。文獻(xiàn)[1-4]建立了剛?cè)狁詈夏Ｐ筒⑦M(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，與剛性車進(jìn)行了對(duì)比。文獻(xiàn)[5-7]將剛性車體柔性化并進(jìn)行模態(tài)分析，了解了車體固有頻率及振型。文獻(xiàn)[8]建立了柔性體，并分析了其對(duì)列車運(yùn)行品質(zhì)的影響。本文先建立柔性車體，并了解其振動(dòng)特征，然后建立剛?cè)狁詈夏Ｐ?，與剛性體對(duì)比分析其對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響。

1 車體模態(tài)分析

首先用Solidworks軟件，建立了車體三維模型，然后將車體模型以中性文件的格式保存并導(dǎo)入ANSYS/workbench中，并賦予材料屬性，生成網(wǎng)格，對(duì)其進(jìn)行自由狀態(tài)下的模態(tài)分析。對(duì)車體模態(tài)進(jìn)行分析時(shí)取前20 階模態(tài)，前6階模態(tài)為剛體模態(tài)，不予考慮，可將其略去。表1為車體前7～15階模態(tài)計(jì)算結(jié)果，其中7～10階振型如圖1所示。

表1 柔性車體7～15階模態(tài)

圖1 車體7～10階模態(tài)振型圖

2 剛?cè)狁詈宪囕v模型的建立

在有限元軟件中生成車體的MNF模態(tài)中性文件，節(jié)點(diǎn)數(shù)為257 218個(gè)，并將其導(dǎo)入VI-Rail軟件中建立車體模板，并生成子系統(tǒng)，如圖2所示。參照CRH2系動(dòng)車組參數(shù)建立轉(zhuǎn)向架模板，生成前、后轉(zhuǎn)向架子系統(tǒng)，如圖3所示。

車輛模型懸掛系統(tǒng)的主要參數(shù)如表2所示。

圖2 柔性車體模板

圖3 轉(zhuǎn)向架模板

表2 懸掛系統(tǒng)主要參數(shù)

最后，將車體和前、后轉(zhuǎn)向架子系統(tǒng)組裝成剛?cè)狁詈险嚹Ｐ?，如圖4所示。

圖4 剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

3 動(dòng)力學(xué)仿真分析對(duì)比

對(duì)剛?cè)狁詈宪囕v模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，將仿真出的各項(xiàng)指標(biāo)與車體為剛性的車輛模型仿真出的進(jìn)行對(duì)比。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析時(shí)，采用直線軌道；而進(jìn)行運(yùn)行平穩(wěn)性分析和安全性分析時(shí)則采用曲線軌道。車輛首先經(jīng)過950 m的直線區(qū)間，240 m的緩和曲線區(qū)間，然后在曲線半徑為7 000 m，軌道超高為150 mm的曲線上行駛1 440 m，接著進(jìn)入260 m的緩和曲線區(qū)間，最后在直線區(qū)間段行駛至4 000 m處。軌道不平順激勵(lì)采用德國(guó)低干擾譜。

3.1運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析

列車在某一速度范圍內(nèi)運(yùn)行，車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、輪對(duì)的蛇行運(yùn)動(dòng)各振型的振幅，隨著時(shí)間的延續(xù)其幅值會(huì)不斷地衰減，而當(dāng)列車運(yùn)行速度超過某一臨界數(shù)值時(shí)，車輛將產(chǎn)生一種不穩(wěn)定的蛇行運(yùn)動(dòng)，其表現(xiàn)形式為它們的振幅會(huì)隨著時(shí)間的延續(xù)而不斷擴(kuò)大，不會(huì)衰減，這種情況即為失穩(wěn)，因此，將過渡到不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度稱為車輛的臨界速度。

在進(jìn)行鐵道車輛運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析[9]時(shí)，最直接的評(píng)價(jià)指標(biāo)是列車的臨界速度。仿真曲線如圖5、圖6所示。

圖5 剛性整車模型的輪對(duì)模移量

圖6 剛?cè)狁詈险嚹Ｐ偷妮唽?duì)橫移量

由圖5和圖6可以看出，車體為剛性車體時(shí)的車輛臨界速度為289.8 m/s，車體為柔性車體時(shí)的臨界速度為288.5 m/s，比前者略低。之所以會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是由于車體結(jié)構(gòu)的彈性變形使得車輛在運(yùn)行中橫向運(yùn)動(dòng)的收斂性變差所致。

3.2運(yùn)行平穩(wěn)性分析

圖7 車體橫向加速度

評(píng)價(jià)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性最直接的指標(biāo)就是車體加速度。此外，為了更準(zhǔn)確地進(jìn)行評(píng)價(jià)，不僅要考慮加速度的大小，還要考慮加速度振動(dòng)頻率的影響。當(dāng)采用考慮頻率的車體加速度來評(píng)定時(shí)，各國(guó)有著不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)。現(xiàn)采用在國(guó)際上應(yīng)用比較廣泛的Sperling指標(biāo)，且只考慮了車體橫向的振動(dòng)加速度。仿真速度為220 km/h、240 km/h、260 km/h、280 km/h、300 km/h共5個(gè)速度等級(jí)。兩種車體橫向加速度對(duì)比曲線如圖7所示。計(jì)算出的平穩(wěn)性指標(biāo)如表3所示。

表3 橫向平穩(wěn)性指標(biāo)Wy

根據(jù)表格和曲線可知，剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡娉龅臋M向加速度及Wy略低于剛性車體模型，其中在240 km/h時(shí)的橫向加速度及Wy略高于剛性車體模型，原因可能是與在此速度等級(jí)下彈性車體的振動(dòng)變形有關(guān)。

3.3運(yùn)行安全性分析

對(duì)剛性體和柔性體模型進(jìn)行安全性仿真，分析對(duì)比了5個(gè)速度等級(jí)下的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌垂向力、輪軸橫向力這4項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)[10]的最大值。如圖8～圖11所示。

由曲線圖可知，通過5個(gè)不同速度等級(jí)的動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)比，柔性體在220 km/h和300 km/h時(shí)的脫軌系數(shù)要略小于剛性體，其余速度上大于剛性體；柔性體的輪重減載率要比剛性體大；在輪軌垂向力方面，除了速度為240 km/h時(shí)剛性體比柔性體大，其余速度上剛性體的要小；輪軸橫向力方面，柔性體的比剛性體的略大?？偟膩碚f，柔性體的安全性要低于剛性體的安全性。

圖8 脫軌系數(shù)最大值

圖9 輪重減載率最大值

圖10 輪軌垂向力最大值

圖11 輪軸橫向力最大值

4 結(jié)論

將鐵道車輛中的一些部件考慮成彈性體并與其它部件組裝在一起而組成剛?cè)狁詈系膭?dòng)力學(xué)分析模型是今后動(dòng)力學(xué)分析的方向。對(duì)此進(jìn)行探索研究，在同樣的工況條件下,將車輛模型中的剛性車體處理成彈性體并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，結(jié)果顯示：柔性車體的車輛臨界速度要低，運(yùn)行平穩(wěn)性與剛性體相比相差不大，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌垂向力和輪軸橫向力的最大值與剛性車體的最大值相比有所增加或相差不大，這是由于車體結(jié)構(gòu)變形帶來的影響。對(duì)剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，這將為后續(xù)的研究奠定理論基礎(chǔ)。

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DynamicSimulationAnalysisofRigidFlexibleCouplingModelofHighSpeedTrain

ZhaoYiwei1,LiuYongqiang1,LiaoYingying2

(1.School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China;2.School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

The effect of the high speed train elastic body on the dynamic performance of the vehicle is studied. To analyze the influence of elastic body, first of all , the FEM model of the body is established, the modal of the body is calculated, then the modal neutral file generated by ANSYS is imported into the VI-Rail software. The flexible body, the front and rear bogie frame subsystems are assembled and rigid flexible coupling vehicle model is built, and its influence is analyzed on motion stability, stable operation and operation safety. By comparing with the rigid multi-body dynamics model, the simulation results show that vehicle with flexible body has better dynamic performances than with rigid body.

high speed train;rigid flexible coupling;VI-Rail;dynamic simulation

U270.1

： A

： 2095-0373(2017)03-0043-05

2016-06-03責(zé)任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.03.09

國(guó)家自然科學(xué)基金(11227201;11472179;U1534204;11572206;11302137;11172182;11372199;11372197);河北省自然科學(xué)基金(A2015210005);河北省教育廳項(xiàng)目(YQ2014028)

趙義偉(1992-)男，碩士研究生，主要從事車輛動(dòng)力學(xué)與控制的研究。E-mail：1240012363@qq.com 趙義偉，劉永強(qiáng)，廖英英.高速列車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(3):43-47.