王發(fā)剛　胡士華

摘 要：交通強(qiáng)國(guó)，鐵路先行。鐵路作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，關(guān)乎著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，民生的需求。目前，我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)最高時(shí)速達(dá)350km/h，是世界上高鐵運(yùn)營(yíng)的最高時(shí)速。隨著速度增加，輪軌間的作用力會(huì)增大，輪軌間會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng)，會(huì)通過(guò)轉(zhuǎn)向架傳遞到車體。此外，當(dāng)高鐵時(shí)速達(dá)350km/h時(shí)，百分之八十的動(dòng)力用于空氣阻力，如果車體沒有具有足夠的強(qiáng)度，強(qiáng)大的氣壓會(huì)壓扁車體，所以研究高強(qiáng)度的車體成為各國(guó)研究的重點(diǎn)。本文利用ANSYS軟件分析高速列車動(dòng)力學(xué)性能，并提出對(duì)車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)。

關(guān)鍵詞：高速列車車體 車體動(dòng)力學(xué)

Study on the Dynamic Performance of High-speed Train Body based on ANSYS Wheel-rail Excitation

Wang Fagang，Hu Shihua

Abstract：To strengthen a country through transportation， the development of railway must be put on the first place. As the main artery of the national economy， the railway is related to the development of the national economy and the needs of the people's livelihood. At present， the maximum speed of China's high-speed rail operation reaches 350km/h， which is the highest speed of high-speed rail operation in the world. As the speed increases， the force between the wheels and rails increases， and high-frequency vibrations are generated between the wheels and rails， which are transmitted to the body through the bogie. In addition， when the speed of high-speed rail reaches 350km/h， 80% of the power is used for air resistance， if the car body does not have enough strength， strong air pressure will flatten the car body， so the study of high-strength car body has become the focus of research in various countries. In this paper， ANSYS software is used to analyze the dynamic performance of high-speed trains and propose optimization parameters for the structure of the car body.

Key words：high-speed train body， car body dynamics

1 引言

交通強(qiáng)國(guó)，鐵路先行，鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，關(guān)乎著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，民生的需求。人民群眾對(duì)高速鐵路的需求伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也越來(lái)越高，高速鐵路也因?yàn)樗俣瓤?、高舒適性、安全性高和節(jié)能備受關(guān)注。中國(guó)是“一帶一路”倡議的提出國(guó)，沿線國(guó)家的群眾共享中國(guó)智慧和中國(guó)方案，帶動(dòng)著沿線國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展。高鐵已成為中國(guó)一道亮麗的名片，中國(guó)高鐵走出去，讓更多的國(guó)家享受到中國(guó)科技的進(jìn)步帶來(lái)的便利，高鐵的走出去有利于提高我國(guó)的國(guó)際影響力，為世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展貢獻(xiàn)中國(guó)力量和中國(guó)智慧，極大提高我國(guó)國(guó)際影響力。我國(guó)高鐵技術(shù)遙遙領(lǐng)先于世界各國(guó)，站在世界的頂峰也會(huì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，如何再取得重大突破成為一道難題。只有不斷自我完善、自我革新。以技術(shù)立身，才為國(guó)家的發(fā)展創(chuàng)造機(jī)遇。我國(guó)高鐵最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速達(dá)350km/h，高鐵80%的動(dòng)力用于克服空氣阻力。巨大的空氣阻力給高速列車的車體帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。同時(shí)由于輪軌激振，通過(guò)轉(zhuǎn)向架傳遞到車體，引起車體振動(dòng)，這對(duì)車體的平順性有了越來(lái)越高的要求。因而，高強(qiáng)度鋁合金高速動(dòng)車組車體已成為高鐵九大關(guān)鍵技術(shù)之一，強(qiáng)度高，質(zhì)量輕的，剛度大的鋁合金車體已成為各國(guó)研究的重點(diǎn)。目前，理論研究、物理試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真是研究車體強(qiáng)度的三個(gè)主要方法。研究車體強(qiáng)度時(shí)，不單單進(jìn)行車體的理論研究，還要通過(guò)計(jì)算利用軟件模擬和物理測(cè)試的方法進(jìn)行研究。由于動(dòng)車組整體造價(jià)很高，每次試驗(yàn)車都是用整車來(lái)進(jìn)行研究的強(qiáng)度試驗(yàn)難度很大，并且成本很高。所以，研究動(dòng)車組車體時(shí)并不是新建實(shí)驗(yàn)線路，制造實(shí)驗(yàn)車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試車體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和剛度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這樣設(shè)計(jì)成本就會(huì)急劇增加。而是根據(jù)多年研究總結(jié)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)合理的動(dòng)車組車體方案，然后對(duì)方案進(jìn)行強(qiáng)度和同步失效標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)。高速動(dòng)車組車體的動(dòng)力學(xué)也是動(dòng)車組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要問題。動(dòng)車組高速運(yùn)行，輪軌與軌道之間的振動(dòng)頻率會(huì)隨著車速的增加而增加，軌道和動(dòng)車組車輪之間的作用力也會(huì)隨著增大而產(chǎn)生高頻振動(dòng)，由于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車輪、一系懸掛相連接，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架發(fā)生共振，共振會(huì)通過(guò)二系懸掛傳遞到車體，車體高頻成分增加，車體的各部分零件振動(dòng)會(huì)更加強(qiáng)烈，會(huì)嚴(yán)重影響乘客的舒適性。

2 高速列車車體建模

2.1 有限元法核心思想

有限元法計(jì)算過(guò)程是將連續(xù)的整體劃分成一定離散單元，是把復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變成有限的單元組成的整體，再對(duì)這些有限的單元分別進(jìn)行分析計(jì)算，然后原來(lái)的整體結(jié)構(gòu)分析通過(guò)這些有限元重新進(jìn)行組合分析代替，從而簡(jiǎn)化了計(jì)算分析的工作量但是有限元分析會(huì)得到與原來(lái)復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)數(shù)值的近似數(shù)值解。工程、機(jī)械、電氣等領(lǐng)域也應(yīng)用有限元分析解決所遇到的問題。有限元法目前是計(jì)算輔助工程系統(tǒng)中分析計(jì)算能力最強(qiáng)的方法。由于有限元法應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，使得有限元法是應(yīng)用次數(shù)最多分析的方法。從力學(xué)角度來(lái)分析，有限元是以位移的方法為基礎(chǔ)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元化來(lái)計(jì)算應(yīng)力和位移。一般包括有有限元前處理、有限元分析計(jì)算和有限元后處理三個(gè)步驟。

2.2 ANSYS軟件

有限元分析中應(yīng)用最為廣泛的軟件是ANSYS，ANSYS也是有限元分析中功能最強(qiáng)大，分析功能最強(qiáng)的軟件?？梢赃M(jìn)行系統(tǒng)的靜力分析，結(jié)構(gòu)非線性分析、聲場(chǎng)分析和熱分析等。ANSYS軟件功能強(qiáng)大，可以進(jìn)行多種有限元分析計(jì)算，構(gòu)建模型操作性簡(jiǎn)單，方便快速建模。利用ANSYS軟件建立有限元分析模型不僅可使設(shè)計(jì)成本極大降低，建?？焖俦憬菘煽s短設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)長(zhǎng)，而且分析結(jié)構(gòu)功能強(qiáng)大并且穩(wěn)定。主要有靜力分析，屈曲分析和模態(tài)分析等結(jié)構(gòu)分析分析?；疚粗繛榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位移值，可參照有限元理論通過(guò)節(jié)點(diǎn)位移導(dǎo)出應(yīng)力、應(yīng)變和反作用等。除了位移值的結(jié)果，結(jié)構(gòu)分析的其余結(jié)構(gòu)都是節(jié)點(diǎn)位移的派生值。利用ANSYS軟件分析有限元模型時(shí)，判斷分析的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果是否正確，只要檢查位移值就可以了，而不是通過(guò)多方面數(shù)據(jù)對(duì)比，檢查位移值正確無(wú)誤則說(shuō)明結(jié)果正確無(wú)誤。本文研究車體高速列車車體動(dòng)力學(xué)性能是利用ANSYS軟件進(jìn)行分析的。

2.3 高速列車車體有限模型建立

高速列車車體是高鐵九大關(guān)鍵技術(shù)之一。高速動(dòng)車組采用的是鋁合金車體，采用的是三角框架結(jié)構(gòu)，動(dòng)車組運(yùn)行環(huán)境有晴天、暴雨、風(fēng)沙等特殊惡劣環(huán)境，動(dòng)車組高速運(yùn)行時(shí)受到的風(fēng)壓很大，在利用有限元軟件建立動(dòng)車組車體模型時(shí)要精密。在利用有限元軟件對(duì)高速列車車體建模時(shí)采用FEA模型，平面模型不能準(zhǔn)確體現(xiàn)動(dòng)車組車體建構(gòu)，需要建立三維模型。建模第一步需要確定動(dòng)車車體的材料（動(dòng)車組車體材料采用鋁合金）和車體型材的斷面（采用三角框架結(jié)構(gòu)），第二步對(duì)動(dòng)車組車體中緬抽取并進(jìn)行集中處理，最后一步是利用有限元軟件HyperMesh對(duì)動(dòng)車組車體建立模型。動(dòng)車組在高速運(yùn)行時(shí)受到的強(qiáng)大的風(fēng)壓，為了對(duì)抗風(fēng)壓，保證安全運(yùn)行，動(dòng)車組車體是一個(gè)復(fù)雜而龐大的結(jié)構(gòu)，要想建立高精確模型是十分困難，工作量巨大，所以建立的動(dòng)車組車體模型與高速列車實(shí)際車體結(jié)構(gòu)會(huì)有所差別，但是對(duì)仿真結(jié)果影響不大。對(duì)于一些細(xì)小的結(jié)構(gòu)，如果對(duì)其細(xì)致描述，會(huì)增大建立模型的難度，控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目也難以控制，影響計(jì)算精度的精確度。所以需要對(duì)車體進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的同時(shí)要保證主要力學(xué)特性為基本原則，簡(jiǎn)化程度以分析目的為主。本文利用ANSYS軟件在建立高速列車車體有限元模型時(shí)，車體的結(jié)構(gòu)與實(shí)際的高速列車車體結(jié)構(gòu)相比會(huì)有適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，這些簡(jiǎn)化不是隨意的，是按照高速列車車體的結(jié)構(gòu)在不影響有限元分析結(jié)構(gòu)的情況下適當(dāng)簡(jiǎn)化。高速列車車體簡(jiǎn)化主要包括：車體結(jié)構(gòu)截面形狀簡(jiǎn)化、省略非承載式件、簡(jiǎn)化倒角和細(xì)小圓角和結(jié)構(gòu)表面光順化。

3 高速列車多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建立

高速列車車輛是由車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、輪對(duì)、一系懸掛和二系懸掛等組成，包括彈簧、阻尼以及質(zhì)量的系統(tǒng)，是一個(gè)復(fù)雜并且多自由度系統(tǒng)。車輛的零部件復(fù)雜，種類繁多，要進(jìn)行詳細(xì)的建模是很困難的，需要簡(jiǎn)化假設(shè)。分析動(dòng)力學(xué)性能的方法是詳細(xì)模型數(shù)值積分。

3.1 CRH3型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架

CRH3型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架是長(zhǎng)客股份引進(jìn)德國(guó)西門子公司的SF500高速轉(zhuǎn)向架。SF500高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架由整體動(dòng)車輪對(duì)、一系懸掛裝置，軸箱定位裝置、橫向終點(diǎn)止動(dòng)裝置、二系懸掛裝置、橫向懸掛裝置、抗蛇形減震器、空氣彈簧連桿、扛?jìng)?cè)滾扭桿組成、動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、輪盤制動(dòng)組成、牽引拉桿組成、牽引電機(jī)組成、牽引電機(jī)通風(fēng)裝置、天線組成、感應(yīng)接收裝置、輪緣潤(rùn)滑組成和撒沙和排障器組成。動(dòng)車組構(gòu)架采用雙H形鋼板壓型焊接結(jié)構(gòu)材質(zhì)為低合景高強(qiáng)度耐候鋼。轉(zhuǎn)向架一系懸掛主要部件有雙螺旋鋼彈簧、垂向減震器和柔性橡膠墊轉(zhuǎn)臂定位，一系懸掛可以減小轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由于輪軌間中作用力引起的高頻振動(dòng)。二系懸掛的主要部件有枕梁+高柔性空氣彈簧、扭桿、高柔性空氣彈簧、橫向減震器、Z型拉桿牽引、1點(diǎn)式高度控制和抗蛇形減震器，主要作用是減少車體的高頻振動(dòng)和蛇形運(yùn)動(dòng)，減少車體的振動(dòng)和增加舒適性。

3.2 高速列車車體動(dòng)力學(xué)建?；A(chǔ)思想

科技革命以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。各種有限元分析商業(yè)化軟件功能也隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越強(qiáng)大，很多有限元分析先進(jìn)的建模方法得到應(yīng)用和發(fā)展，提高高速動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)建模仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件也為了適應(yīng)車輛動(dòng)力學(xué)習(xí)的發(fā)展也朝著多學(xué)科、多交叉方向發(fā)展，如逐步與MATLAB等仿真語(yǔ)言相結(jié)合。

3.2.1 高速動(dòng)車組動(dòng)力建模仿真計(jì)算方法

高速列車車體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展建模有一下幾個(gè)步驟：

（1）建模時(shí)要對(duì)實(shí)際高速列車車體進(jìn)行簡(jiǎn)化，省略次要因素，抓住車體主要特征。關(guān)鍵的細(xì)節(jié)如高速列車車體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等關(guān)鍵細(xì)節(jié)要包含有。

（2）高速列車行駛時(shí)的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)于創(chuàng)建高速列車行駛的動(dòng)力學(xué)模型。高速列車的車體剛度、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、輪對(duì)等結(jié)構(gòu)具有高剛度的特點(diǎn)，其剛度會(huì)比懸掛系統(tǒng)大很多，處理方法是列車系統(tǒng)考慮為多剛體系統(tǒng)。

（3）對(duì)車體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真研究時(shí)借助大型商業(yè)化仿真軟件或者編寫或者開發(fā)相關(guān)軟件進(jìn)行。

（4）要對(duì)獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的后處理，輸出仿真所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)果并對(duì)放分結(jié)果合理解釋。

3.3 高速列車多剛體動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立

在多體力學(xué)建模軟件ADAMS中創(chuàng)建高速列車車體動(dòng)力學(xué)模型。利用ADAMS軟件可以建立高速列車仿真模型，便于分析計(jì)算列車動(dòng)力學(xué)模型。

3.3.1 常用物理模型

目前，采用以下幾種物理模型研究高速列車車體動(dòng)力學(xué)性能，用于研究動(dòng)車組蛇形運(yùn)動(dòng)的特性和其發(fā)生失穩(wěn)臨街速度的大小用高速列車蛇形穩(wěn)定模型；高速列車通過(guò)曲線是的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)用高速列車曲線通過(guò)模型；分析高速列車由于軌道不平順等各種外界條件引起不平順輸入響應(yīng)采用高速列車行駛的橫向動(dòng)力學(xué)模型和垂向動(dòng)力學(xué)模型。

3.3.2 輪軌振動(dòng)激勵(lì)

高速列車在高速行駛的過(guò)程中，輪對(duì)在軌道轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)造成輪對(duì)和軌道產(chǎn)生振動(dòng)，是輪軌振動(dòng)的主要原因，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生激擾作用。由于輪軌在軌道高速旋轉(zhuǎn)，時(shí)間久了軌道和輪對(duì)自然會(huì)產(chǎn)生磨損。軌道采用無(wú)縫鋼軌，為了保證高速列車運(yùn)行的平穩(wěn)性，其焊接處高度不超過(guò)一根頭發(fā)絲。車輪出現(xiàn)損耗缺陷影響運(yùn)行時(shí)，拆下來(lái)維修或者更換相比更換軌道的成本會(huì)低很多，因此對(duì)高速列車中間進(jìn)行建模仿真時(shí)，只需要考慮軌道的關(guān)鍵因素。

為方便研究高速列車動(dòng)力學(xué)仿真分析，并且軌道由于地勢(shì)存在著水平高低不同，線路也不可能修成直線。確定激勵(lì)可用準(zhǔn)確的形式表達(dá)線路高低、方向和水平不平。非確定的激勵(lì)是隨機(jī)發(fā)生變化的，難以進(jìn)行確認(rèn)。對(duì)于這些非確定的激勵(lì)，只有反復(fù)對(duì)軌道線路進(jìn)行實(shí)地測(cè)量把數(shù)據(jù)并記錄下來(lái)，找到相應(yīng)規(guī)律，并且采用一些運(yùn)算方法來(lái)應(yīng)用這些軌道不平順。本文采用德國(guó)高干軌道譜。

空間頻率F或者空間波束O一般在在國(guó)際上被用來(lái)對(duì)軌道不平順進(jìn)項(xiàng)表達(dá)。時(shí)間頻率f與時(shí)間波束w之間的關(guān)系表達(dá)如下：

F=f/vO=w/vO=2pF

其中，v-列車運(yùn)行速度。

4 高速列車動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定指標(biāo)

在修建高速鐵路線路時(shí)，由于地面高度起伏不定，各國(guó)修建鐵路線路不同，德國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)采用的是直接在地面修建，地勢(shì)高的地方挖平、地勢(shì)低的地方采用填補(bǔ)方式。我國(guó)與國(guó)外不同，采用的是架橋，即在地面修建好橋，在橋上鋪設(shè)鋼軌。這樣可以解決地勢(shì)起伏不定，降低修建成本，也可節(jié)約使用土地成本。但由于車體本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，軌道不可能修建成整個(gè)線路都是水平的，會(huì)存在一定的落差。高速列車在軌道上高速運(yùn)行時(shí)，由于軌道存在一定的落差或者轉(zhuǎn)向，因而會(huì)產(chǎn)生不同類型的軌道不平順。由于車輪與軌道直接接觸，這些不平順就會(huì)經(jīng)車輪傳遞到轉(zhuǎn)向架，再由轉(zhuǎn)向架車體到車體上，就會(huì)引起車體的各部件引起不同的振動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致車體各部件發(fā)生相對(duì)位移或者加速度。研究車體動(dòng)力學(xué)時(shí)，考慮線路不平順和輪軌作用力的同時(shí)，也要考慮車體自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和各種動(dòng)力學(xué)參數(shù)。研究車體動(dòng)力學(xué)時(shí)把車體看作剛體，車體的變形比懸掛系統(tǒng)的彈性變形小很多。

高速列車在軌道上運(yùn)行時(shí)，往往要考慮高速列車在直線運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性、曲線通過(guò)性能和抗蛇形運(yùn)動(dòng)。所以評(píng)定高速列車動(dòng)力學(xué)性能時(shí)，要評(píng)判上訴三個(gè)性能。我國(guó)對(duì)客車動(dòng)力學(xué)仿真分析是參照GB/T5599-1985 《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，主要評(píng)判以下3個(gè)指標(biāo)：（1）機(jī)車車輛在直線運(yùn)行時(shí)，在外界因素干擾作用下的車體垂向最大振動(dòng)加速度與平穩(wěn)性指標(biāo)和橫向最大振動(dòng)加速度與平穩(wěn)性指標(biāo)；（2）鐵道車輛發(fā)生蛇行失穩(wěn)時(shí)臨界速度；（3）鐵道機(jī)車車輛進(jìn)行曲線通過(guò)時(shí)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)。

5 高速列車動(dòng)力學(xué)優(yōu)化研究

高速列車車體動(dòng)力學(xué)性能取決于轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)之間的相互匹配，高速列車車輪與一系懸掛存在向、縱向、橫向彈性定位作用。轉(zhuǎn)向架與高速列車車體通過(guò)二次懸掛裝置相連接，因此高速列車車體的重量全部加載在轉(zhuǎn)向架上。此外，轉(zhuǎn)向架與空氣彈簧組合控制車鉤的高度，因此需要調(diào)整的高速列車車體剛度不大。

一系縱向定位剛度值的增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致車輛直線運(yùn)行時(shí)脫軌系數(shù)變小。車輛曲線通過(guò)脫軌系數(shù)與車輛直線運(yùn)行時(shí)脫軌系數(shù)成正比例關(guān)系，即會(huì)隨著一系縱向定位剛度值的增長(zhǎng)而變大，但不是一直隨著車輛直線運(yùn)行時(shí)脫軌系數(shù)增大而增大，當(dāng)增大到一定值后增長(zhǎng)速率會(huì)降低。只有在一定范圍內(nèi)，一系縱向定位剛度值適當(dāng)增加，對(duì)車輛的直線運(yùn)動(dòng)特性提高提高有促進(jìn)作用。但這也會(huì)導(dǎo)致列車通過(guò)曲線是的最大輪軌作用力，輪軌作用力增加會(huì)不利于列車通過(guò)曲線，增加脫軌風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也會(huì)增加車輛的磨損，增加維修成本。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出：一系縱向定位剛度值為15MN/m合適。

課題來(lái)源：廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于SIMPACK和ANSYS的輪軌激振對(duì)高速列車車體動(dòng)力學(xué)性能研究”（2022KY1408）。

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