侧风环境下列车高速交会流固耦合振动安全性分析

为了防止侧风环境下列车高速交会压力波对车体结构造成破坏,以及气动载荷冲击对运行安全性的影响,综合计算流体动力学的有限体积法和列车多体系统动力学仿真方法,从流固耦合关系出发,同时对侧风环境下列车高速交会的外流场和列车系统动力响应进行分析,从而考察会车压力波、气动冲击、车体响应和列车运行安全性。计算结果表明：背风侧列车会车压力波头波大于迎风侧列车,而尾波则小于迎风侧列车,最大压力波动出现在背风侧列车。侧风环境下列车高速交会时,彼此具有挡风作用,安全性指标出现波动,列车运行安全性短时间内有所改善。     

高速列车隧道内交会压力波基本特性数值模拟研究

高速列车隧道内交会压力波变化剧烈,产生较大的气动载荷,可能带来乘客舒适性、车体及部件和洞内固定设备气动疲劳破坏问题,给列车安全运行带来隐患。基于CFD软件,采用三维可压缩非定常湍流流动的模型压力修正算法和任意滑移界面网格技术,本文对高速列车隧道内等速和不等速交会压力波进行数值模拟,分析了列车交会过程中车体外部压力场的变化,较为详细地描述了头头交会、头尾交会及尾尾交会时列车头尾部部位压差的变化过程,分析了等速和不等速交会时车外及洞内压力波的变化特性,初步给出了交会时变速度列车的负压峰值绝对值与车速的拟合关系式。     

基于姿态变化的列车侧风安全性研究的新方法

针对列车空气动力学与列车系统动力学联合同步仿真的耗时问题,提出一种新的基于Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE)的列车空气动力学与列车系统动力学联合仿真方法。首先,分别建立列车侧风计算流体动力学模型和列车多体系统动力学模型。然后,通过参数传递、求解控制和动态网格的使用实现列车侧风计算流体动力学和列车多体系统动力学的联合仿真,其中列车系统动力学模型不考虑轨道激励,侧风环境下列车以平衡状态逐步逼近最终平衡状态,从而以更快的计算速度得到侧风环境下列车的稳定姿态和该姿态下的气动载荷。最后将此气动载荷加载到列车多体系统动力学模型,并考虑轨道激励,进行动力学分析,评价侧风环境下列车的安全性指标。     

重载列车动力学数值模拟

为研究列车纵向冲击对车辆运行安全性的影响,首先对缓冲器动力学模型进行了修正,并利用单自由度车辆冲击对缓冲器特性予以验证;然后采用联合模型法和混合模型法,计算了车辆通过曲线时紧急制动工况下车辆的轮轨横向力和脱轨系数,并与独立模型进行对比。计算结果表明:修正后的缓冲器动力学模型能较好地模拟缓冲器的特性曲线;车辆通过曲线时制动力产生的纵向冲动,导致车辆的曲线通过性能和列车运行安全性降低,在车辆系统动力学分析中应考虑车钩力的影响;联合模型中由于车钩采取固定偏转角,导致其计算结果偏小;混合模型中的车钩偏转角随列车运行是动态变化的,因此混合模型更接近实际运行工况。     

横风下高速列车流固耦合动力学联合仿真

基于车辆-轨道耦合动力学和空气动力学建立了高速列车流固耦合动力学行为的联合仿真计算方法。通过将车辆-轨道耦合动力学计算程序嵌入流体力学程序中,避免了流体和固体两个求解器之间的数据交换通讯,并且采用耦合迭代步内流固边界条件气动力线性插值的办法,实现了流体和固体两个求解器时间迭代步长的独立选取,提高了计算速度。利用建立的流固耦合计算方法,研究了6级横风环境下列车以350km/h速度运行时的流固耦合动力学行为。比较了离线仿真和联合仿真两种方法下列车气动力与姿态、安全性和舒适性指标的差异。研究表明:列车-气流的流固耦合效应对头车气动力和姿态的影响显著,头车安全性指标有所恶化。     

高速列车过隧道对弓网动力学影响分析

为研究高速列车通过隧道时产生的受电弓空气动力学效应对弓网动力学性能的影响,分别建立了受电弓/高速列车空气动力学仿真模型和弓网耦合系统动力学模型。采用滑移网格技术实现了高速列车运动,通过有限体积法求解三维瞬态可压缩Navier-Stokes方程和 两方程湍流模型,计算了列车速度为350km/h通过隧道时受电弓的气动抬升力,对考虑和未考虑列车通过隧道产生的受电弓气动抬升力作用时的弓网动力学响应进行了对比分析。计算结果表明,受电弓气动抬升力在隧道入口和出口时出现峰值,隧道内的气动抬升力较明线上大;通过隧道时产生的受电弓气抬升力变化对弓网接触压力和接触线抬升位移具有显著影响,导致受流质量变差。     

柔性多体系统碰撞动力学研究

摘 要：针对工程中常见的柔性多体系统碰撞过程，详细的分析了柔性多体系统的接触碰撞条件，基于非线性等效弹簧阻尼模型建立了柔性体的碰撞模型，并基于库仑摩擦模型考虑两体碰撞时的切向摩擦作用。在此基础上把柔性体碰撞模型综合到柔性多体系统动力学方程中，建立了含接触碰撞的柔性多体系统动力学模型，此模型适用于一般含碰撞的多体系统。仿真算例以柔性梁在重力场中的接触碰撞过程为对象进行动力学仿真，研究柔性梁碰撞前、碰撞过程及碰撞后的动力学特性和动态响应，以及碰撞过程碰撞力的变化规律，并与刚性梁在重力场中的接触碰撞过程进行详细的比较和分析，结果表明基于非线性等效弹簧阻尼模型建立的柔性多体系统碰撞动力学模型可以有效的分析接触碰撞过程的动力学性能，验证了模型的有效性和正确性。     

高速铁路路基沉降与列车运行速度关联性的研究

土质路基在高速列车的长期循环荷载下不可避免会发生沉降变形,列车运行速度与路基的沉降有着直接的关联性。随着列车运行速度的不断提高,对不均匀沉降变形的控制要求也越来越严格;同时,路基的不均匀沉降也制约着列车运行速度的提升,故有必要研究无砟轨道路基不均匀沉降对列车运行特性和线路冲击的影响。在既有的列车-轨道垂向耦合动力学理论模型基础上进一步考虑了轨道板下方的CA砂浆层和混凝土垫层的共同作用,建立了更符合实际线路特征的车轨耦合分析模型,并通过与现场测试结果的对比验证了该模型的合理性。基于此模型考察了不同路基沉降分布特征、不同列车运行速度条件下车辆和轨道振动特性,从车辆运行安全性和乘客舒适性两方面的指标总结了沉降的控制要求。计算发现短波长的路基沉降易于引起轮轴较大的加速度响应,线路的沉降幅值控制标准主要由安全性指标(轮轴减载率)决定;而在发生大波长的路基沉降时,主要导致车体加速度响应明显增大,路基沉降控制标准主要由列车车体舒适性指标(车体加速度)所决定,并给出具体的控制参数。     

基于多体动力学方法大型风力机台风致响应特性与偏航影响

为研究强台风下考虑偏航效应的大型风力机气动力及动态响应特征,以美国可再生能源实验室5 MW风力发电机组为研究对象,基于多体动力学及混合多体系统建模方法,建立了整机刚-柔混合多体动力学模型,并对该模型进行了动力特性分析与模型有效性验证。同时,基于谱分解法模拟了台风眼壁区域强干扰阶段的三维随机风场,并基于叶素-动量理论对7种偏航工况下风力机体系气动力进行数值模拟,分析了偏航对强台风下整机气动荷载的影响。最后,基于多体动力学模型对考虑不同偏航的大型风力机体系进行了动力时程分析,提炼了偏航对于结构风致响应的影响规律。结果表明,本文建立的多体动力学模型使用较少的自由度能有效描述了5 MW大型风力机的动力特性;当大型风力机处于30°和120°停机偏航角时,结构的台风致风荷载和风振响应显著增大,属于典型的不利工况,应在风电场实际控制时予以避免。主要研究结论可为强台风极端风况下大型风力机抗风设计提供科学依据。     

转向传动机构间隙对车辆摆振系统动力学行为的影响分析

对考虑转向传动机构间隙的车辆摆振系统动力学行为进行了分析。基于非线性系统动力学相关理论,应用二状态模型描述横拉杆和转向梯形臂之间的间隙副接触状态,建立了考虑转向传动机构间隙的四自由度摆振系统动力学模型。对上述模型进行数值分析,借助相平面、Poincaré映射及分岔特性等分析了间隙对于车辆摆振系统动力学行为的影响,为更好地实现车辆摆振控制提供了理论支持。     

基于联络通道缓解高速列车在长大隧道的压力波波动

为了减缓高速列车通过隧道引起的压力波动对列车运行的影响,基于列车空气动力学研究了高速列车通过带有联络通道的隧道时的压力波特性。建立了3节编组高速列车数值仿真计算模型,基于三维、非定常、可压缩Navier-Stokes方程以及k-ε两方程湍流模型和滑移网格技术,数值模拟了高速列车通过联络通道隧道的气动特性,主要考虑设置联络通道后,联络通道面积、列车运行速度和不同通道间距对隧道压力波动的影响。研究结果表明:列车通过设有联络通道的隧道相比于无联络通道隧道的气动特性得到明显改善;通道对初始压力上升与下降抑制效果更加明显,对膨胀波的抑制更为突出;列车运行速度越高,通道面积越大,压力波回落越明显;联络通道的设置使压力波波形呈现局部锯齿状。提出了列车通过隧道时压力峰值的快速计算公式。     

高速铁路路基模型列车振动荷载模拟

针对高速铁路轨道-路基实尺试验模型提出了列车振动荷载模拟装置,该装置由反力架、作动器及分配梁等组成。参照实尺模型,建立了轨道-路基三维有限元数值模型,以运行速度为350km/h的CRH380型动车组、CRTSⅡ型无砟轨道为研究对象,计算并分析了列车移动荷载加载和作动器加载时路基的竖向动应力和竖向动位移,结果表明采用作动器联动加载可较好地模拟列车动力荷载。为获得动力加载时程曲线,采用数值模型建立相邻车厢的两个相邻转向架经过轨道时扣件点反力时程曲线,结合分配梁体系的传力特性和MTS伺服加载试验机对输入时程曲线的要求,通过对扣件点反力时程曲线进行叠加和傅里叶变换得到了作动器的输入时程曲线。     

地震作用下车辆-轨道系统轮轨动态响应试验研究

为研究地震作用下高速铁路地震预警阈值,进行准静态全尺寸车辆-轨道模型振动台试验研究,对车辆轨道模型施加正弦地震波,试验结果显示《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中所规定的轮重减载率限值和脱轨系数限值可能偏于保守,且导致列车脱轨的原因是由于地震作用使轨道结构发生大幅的水平向振动,引起车轮发生水平向晃动,致使车辆发生侧向滚摆运动所造成的;接着对车辆轨道模型施加实测地震波,试验结果表明地震波频谱特性对列车运行安全有一定的影响;对车辆轨道模型同时施加水平向和垂向地震波,发现对车辆轨道系统动力响应影响较大的为水平向地震波,垂向地震波则对其影响较小;根据振动台试验模型建立与之对应的多刚体、多自由度三维车辆-轨道数值模型,研究当考虑轨道不平顺时,地震作用下不同车速对列车轮动动力响应的影响,通过数据分析表明,在一定范围内,地震作用下的列车脱轨与列车速度关系不大,为高速铁路地震预警阈值的研究提供了一定的理论依据。     

撞击荷载作用下高速铁路桥梁的动力响应及列车运行安全分析

建立了"列车-桥梁-撞击荷载"系统动力分析模型,通过在松花江大桥进行的现场试验,得到了流冰撞击力时程,施加到桥墩上作为系统的激励。编制了分析程序,以高速铁路5×32m预应力混凝土简支单线箱梁桥为算例,通过计算机模拟,对流冰撞击作用下桥梁结构的动力响应及桥上高速列车的运行安全问题进行了研究。分析了在有流冰、无流冰撞击作用两种情况下,桥梁结构关键部位的位移和加速度响应,以及桥上高速运行列车的车辆脱轨系数和轮重减载率等行车安全指标。计算结果表明:流冰撞击作用对桥梁结构以及高速列车的动力特性具有较大的影响,撞击作用使桥梁和车辆的动力响应大幅度增大。当流冰撞击荷载峰值达到4000kN时,车辆减载率已经超过了0.6的限值。撞击荷载作为一项特殊的作用力,在高速铁路桥梁的动力设计中应予以重视。     

地铁列车振动对隧道结构激振荷载的模拟

本在现场试验的基础上,利用频谱分析方法,得出由于地铁列车振动而起的轨道振动加速度的数定表达式,根据车辆系统振动简化模型,建立了正确的模拟轮系的运动方程,从而推导出地铁列车振动荷载,为进一步分析列车振动荷载作用下地下结构动力响应打下了基础。     

秦沈客运专线车路系统动力响应数值分析

结合秦沈客运专线基床路基实际状况，利用车路耦合动力分析模型，对高速列车荷载作用下车路系统动力响应进行仿真分析。计算列车速度为200km/h和300km/h时不同基床表层厚度下的车辆、轨道及基床路基主要动力性能指标，并与测试结果进行对比分析。测试结果验证了计算模型的可靠性。根据计算结果分析列车速度与基床表层厚度对车路系统动力响应的影响规律，对秦沈线基床表层设计提出建议。     

高速列车振动荷载作用下电缆隧道结构动力响应分析

城市中地下管线铺设较为复杂,城市轨道或者城际高速铁路会修建在地下管线上方。以京津城际轨道交通工程为例,研究高速车辆振动荷载对铺设地下管线的隧道结构产生的动力影响。运用耦合动力学,建立了车辆-轨道耦合系统振动分析模型,计算高速列车通过时车辆-轨道耦合系统的动力响应。结合有限元理论,建立桩板-土体-隧道一体化纵横垂向空间耦合动力仿真模型。将车辆-轨道耦合系统振动分析模型得到的荷载谱,作为外部激励作用在动力仿真模型上,对电缆隧道的动力响应进行研究。计算结果表明,京津城际铁路运营后高速列车振动荷载的动力作用不会对桩板结构下的电缆隧道产生显著的不利影响。     

考虑轮轨非线性接触的车辆-轨道-桥梁垂向耦合系统随机振动分析

基于列车-轨道-桥梁耦合动力学理论,考虑轮轨接触非线性,采用广义概率密度演化理论建立了列车-轨道-桥梁垂向耦合系统非线性随机振动方程。采用数论选点法结合谱表示-随机函数法生成轨道随机不平顺样本,实现了用两个随机变量和少量样本较精确地反映轨道不平顺功率谱的随机特性。以高速列车-简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道为例,从概率及可靠度角度,考虑非线性轮轨关系中跳轨现象以及轨道随机平顺影响,对比分析了线性与非线性轮轨对车辆运行安全性的影响;计算了不同轨道谱、车辆运行速度下轮重减载率概率密度演化规律及其对车辆运行安全性影响。结果表明,建议的方法可通过较少的随机变量和样本计算得到车辆-轨道-桥梁耦合系统非线性随机动力响应及其概率分布,可为车辆运行安全性评价提供更好的指导。