高速列车横风作用下的非定常气动载荷计算模拟

为模拟横风环境下高速列车所受气动载荷,选择Karman修正风速谱为目标谱,采用线性滤波法（AR模型）模拟了随列车移动点的脉动风速时程。基于风速风压关系,分析了气动载荷的计算方法,引入气动导纳函数,计算了高速列车横风作用下的非定常气动载荷,最后通过MATLAB编程实现非定常气动力的模拟。通过对列车运行速度70 m/s、平均风速为25 m/s工况下的脉动风速及非定常气动力的计算模拟,结果表明,风速时程能量主要集中在0~3 Hz频域段,与列车系统固有的一些振动频率相近,存在引起列车系统共振、引发倾覆事件的可能。     

Optimization on the Crosswind Stability of Trains Using Neural Network Surrogate Model

Under the influence of crosswinds,the running safety of trains will decrease sharply,so it is necessary to optimize the suspension parameters of trains.This paper studies the dynamic performance of high-speed trains under cross-wind conditions,and optimizes the running safety of train.A computational fluid dynamics simulation was used to determine the aerodynamic loads and moments experienced by a train.A series of dynamic models of a train,with different dynamic parameters were constructed,and analyzed,with safety metrics for these being determined.Finally,a surrogate model was built and an optimization algorithm was used upon this surrogate model,to find the mini-mum possible values for:derailment coefficient,vertical wheel-rail contact force,wheel load reduction ratio,wheel lateral force and overturning coefficient.There were 9 design variables,all associated with the dynamic parameters of the bogie.When the train was running with the speed of 350 km/h,under a crosswind speed of 15 m/s,the bench-mark dynamic model performed poorly.The derailment coefficient was 1.31.The vertical wheel-rail contact force was 133.30 kN.The wheel load reduction rate was 0.643.The wheel lateral force was 85.67 kN,and the overturning coef-ficient was 0.425.After optimization,under the same running conditions,the metrics of the train were 0.268,100.44 kN,0.474,34.36 kN,and 0.421,respectively.This paper show that by combining train aerodynamics,vehicle system dynamics and many-objective optimization theory,a train's stability can be more comprehensively analyzed,with more safety metrics being considered.     

不同侧风下的汽车气动特性模拟研究

在侧风为0、1、2-10m／s的情况下,利用计算流体力学软件ansys cfx对某型号简化汽车模型进行数值模拟,并对结果进行处理与分析。分析结果表明,随着侧风的增大,侧向力和升力增大显著。而阻力受侧风影响不大。侧风的增大使得升力、侧向力明显增大,进而严重影响了汽车的行驶稳定性。     

横风作用下高速列车同向并行运行安全性数值研究

采用流体力学数值计算软件FLUENT对我国某新型动车组横风条件下的空气动力学性能进行了数值仿真.研究了不同横风风速下,直线上两列高速列车同向并行运行时的空气动力性能,并与单车运行时情况进行了对比.计算结果表明三种情况下,双车并行运行时的迎风侧车身受到的纵向气动阻力最大,背风侧车体受到的纵向气动阻力最小;相同列车速度和横风速度下,单车运行时横向气动力最大,双车并行运行时,背风侧车体受到的气动力最小.     

随机风作用下高速列车的非定常气动载荷

为研究随机风作用下高速列车的非定常气动载荷,基于COOPER理论和谐波叠加法计算随高速列车移动的点的脉动风,分析车速和平均风速对量纲一功率谱密度的影响。采用计算流体动力学方法数值计算气动载荷系数随侧偏角的变化规律,研究随机风作用下高速列车非定常气动载荷的计算方法,并推导出非定常气动载荷的概率分布特性。通过仿真分析车速为200～400 km/h,平均风速为10～35 m/s时的脉动风和非定常气动载荷发现,量纲一功率谱密度随车速的增加往高频部分移动,平均风速的变化对其影响较小;平均风速对脉动风速的影响大于车速对脉动风速的影响;当考虑侧偏角的变化时,计算得到的非定常气动载荷的波动增大;采用准定常法和改进准定常法计算得到的非定常气动载荷具有随机过程的遍历性,而采用权重函数法及改进权重函数法计算得到的非定常气动载荷不具有随机过程的遍历性。     

真空管道高速列车气动特性分析

为研究低压环境下真空管道高速列车的气动特性,建立低压环境下真空管道高速列车空气动力学计算的流体模型、数学模型和数值模型,研究管道压力(1.01×103～1.01×104 Pa)、阻塞比(0.2～0.7)和列车速度(600～1 000 km/h)对真空管道高速列车的阻力系数、气动阻力和气动热效应的影响。计算结果表明,在低压(1.01×103～1.01×104 Pa)环境下,真空管道中的空气流动可以采用连续介质模型描述,真空管道高速列车的绕流流场采用三维可压缩Navier-Stokes方程描述。高速列车的摩擦阻力系数远小于压差阻力系数,压差阻力系数和气动阻力系数基本上与管道压力和列车速度无关,而主要依赖于阻塞比。高速列车的气动阻力与管道压力近似呈线性关系,与列车速度近似成平方关系,且随着阻塞比的增加而增大。列车表面的最大温度基本上与管道压力无关,而主要由列车速度和阻塞比决定。     

横风下高速列车的非定常气动特性及安全性

为研究横风下不同路况(平地、路堤、桥梁)运行时的高速列车非定常气动特性及安全性,基于空气动力学和多体系统动力学理论,建立高速列车空气动力学模型和车辆系统动力学模型。采用分离涡模拟(Detached eddy simulation,DES)方法,计算在横风下运行速度为300 km/h列车的周围流场,风速为17.1 m/s,风向与列车运行方向垂直,得到各路况运行时高速列车车体所受非定常气动力的时域特性、频域特性及列车周围非定常流动结构。根据高速列车整车试验规范,以脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力和轮轨垂向力为安全性指标,分析不同路况下列车的运行安全性。结果表明,横风中列车所受气动载荷存在明显的非定常性,各车辆的气动载荷功率谱密度存在明显峰值,气动载荷主频集中在5 Hz以内;复线路堤背风侧运行列车的安全性最差,其次为复线桥梁迎风侧、复线桥梁背风侧、复线路堤迎风侧、平地。     

二维随机风下高速列车非定常气动载荷研究

为研究自然风下高速列车的气动载荷特性,基于Cooper理论和谐波叠加法建立考虑自然风纵向脉动分量和横向脉动分量的二维随机风数值模拟方法,通过对比纵向脉动分量和横向脉动分量的模拟功率谱密度与目标功率谱密度,验证随机风数值模拟方法的正确性,并建立二维随机风下高速列车非定常气动载荷的计算公式。数值计算时,列车速度为200~400 km/h,平均风速为10~35 m/s,计算结果表明,随机风具有较大的横向脉动分量,其波动程度略小于纵向脉动分量的波动程度。无论是否考虑随机风速横向脉动分量,高速列车非定常气动载荷均近似服从正态分布。随机风速横向脉动分量对非定常气动载荷的均值几乎没有影响,但使非定常气动载荷的标准差有所增大。     

横风下高速列车流线型头型多目标气动优化设计

为改善高速列车的横风气动性能,建立高速列车流线型头型的多目标优化设计方法,以横风下高速列车的侧力和升力为优化目标,对高速列车流线型头型进行多目标自动优化设计。建立高速列车流线型头型的参数化模型,提取出5个优化设计变量,利用计算流体动力学方法进行高速列车流场计算,并结合多目标遗传算法,实现横风下高速列车流线型头型的自动寻优设计。通过相关性分析,得到影响侧力和升力的关键优化设计变量,并进一步研究关键优化设计变量和优化目标之间的非线性关系。经过多目标优化设计,获得一系列的Pareto最优头型,这些头型的横风气动性能均得到明显改善。同时为保证无风环境下高速列车的基本气动性能不发生恶化,最终筛选出8个Pareto最优头型。对于这8个Pareto最优头型,相对于原始头型来说,横风下的侧力最多可降低3.06%,横风下的升力最多可降低19.60%,无风时的气动阻力最多可降低4.51%,无风时的气动升力最多可降低9.68%。     

Stabilizing Mechanism and Running Behavior of Couplers on Heavy Haul Trains

Published studies in regard to coupler systems have been mainly focused on the manufacturing process or coupler strength issues. With the ever increasing of tonnage and length of heavy haul trains, lateral in-train forces generated by longitudinal in-train forces and coupler rotations have become a more and more significant safety issue for heavy haul train operations. Derailments caused by excessive lateral in-train forces are frequently reported. This article studies two typical coupler systems used on heavy haul locomotives. Their structures and stabilizing mechanism are analyzed before the corresponding models are developed. Coupler systems models are featured by two distinct stabilizing mechanism models and draft gear models with hysteresis considered. A model set which consists of four locomotives and three coupler systems is developed to study the rotational behavior of different coupler systems and their implications for locomotive dynamics. Simulated results indicate that when the locomotives are equipped with the type B coupler system, locomotives can meet the dynamics standard on tangent tracks; while the dynamics performance on curved tracks is very poor. The maximum longitudinal in-train force for locomotives equipped with the type B coupler system is 2000 kN. Simulations revealed a distinct trend for the type A coupler system. Locomotive dynamics are poorer for the type A case when locomotives are running on tangent tracks, while the dynamics are better for the type A case when locomotives are running on curved tracks. Theoretical studies and simulations carried out in this article suggest that a combination of the two types of stabilizing mechanism can result in a good design which can significantly decrease the relevant derailments.     

横风条件下高速列车不同速度下空气动力性能数值仿真

采用流体力学数值计算软件FLUENT对我国某新型动车组横风条件下的空气动力学性能进行了数值仿真.研究了不同横风风速下,明线上高速列车在不同速度运行时的空气动力性能.根据计算得到的数据,分析了不同横风速度和车速时相应的车体纵、横向气动力变化的规律及成因,得到了相应的结论,为今后列车在横风作用下的运行安全性提供一定的依据.     

高速列车集电部的气动噪声研究

针对铁路提速后高速列车集电部气动噪声过大的问题,在集电部引入导流罩,应用Fluent对不同速度下含导流罩及不含导流罩的外流场和气动噪声分别进行数值模拟和分析。计算结果表明,引入导流罩后集电部的气动噪声有明显降低,集电部产生的气动噪声以偶极子声源为主。     

周转轮系系统化的数学模型

在分析轮系结构特征及状态特征的基础上,完善包涵两类特征的拓扑图;认识到轮系是一个物理系统,提出网络问题是解决轮系物理特征的系统化图论模型,并发现轮系拓扑图满足基尔霍夫定律;在分析拓扑图物理特征的基础上,结合拓扑图几何特征,提出支路特性矩阵、切割特性矩阵用于构建系统化研究的数学模型,即回路方程组、切割方程组,为系统地研究周转轮系结构特性、状态特性提供新的理论基础.以实例论述这一理论的具体应用.     

Mann风湍流模型研究及修正

湍流是风的特性之一,也是风力机动载荷的主要来源。国际标准IEC-61400-1中推荐使用Mann风湍流模型模拟脉动风速。Mann模型涉及的理论非常复杂,一般的设计人员难于理解,应用时也难于入手。为此,本文以文献[3,7]为基础,对Mann风湍流模型进行了详细推导,重点阐述了该模型理论上的简化。发现了文献[3,7]中参数ζ1和ζ2表达式不准确,本文提出了其修正表达式,对比显示修正后的参数大幅提高了风功率谱低频范围的模拟精度。利用改进后的参数模拟Kaimal经验风谱,以谱理论为准则,讨论了空间点数对数值模拟脉动风速的影响,得到了模拟各个风速分量时空间点数的推荐值。利用空间点数的推荐值,得到了空间三维脉动风速。     

Behavior of Titanium Alloys in Aerodynamic Heating of Hypersonic Airplanes

Russian Engineering Research - The requirements on the use of titanium alloys used as thermal protection in hypersonic airplanes are considered. The ignition of titanium alloys in aerodynamic...     

高速列车轮对磨耗统计规律及预测模型

为研究我国高速列车轮对踏面磨耗规律,对某线路服役高速动车组进行跟踪测试,记录其镟轮周期内的踏面磨耗量,并基于对磨耗统计特征的两次拟合提出轮对型面磨耗预测函数模型。对某高速线路实测型面磨耗量进行拟合,分别得到各走行里程下磨耗量关于型面位置的拟合函数;并进一步对各走行里程下的拟合函数系数进行二次拟合,得到磨耗量关于型面位置及走行里程的二元预测函数。在模型的预测精度与适用性验证时,对比相同走行里程下预测型面和实测型面在轮轨接触几何关系与车辆各关键部件加速度响应两方面结果。对比结果显示,提出的磨耗预测模型在轮轨接触点、等效锥度、轮轨作用力及车辆安全性等各方面均与线路实测结果具有很好的一致性。     

尾缘厚度对风力机翼型气动性能的影响

利用CFD软件对DU00-W-212翼型进行数值计算,验证了SST k-ω湍流模型在CFD数值计算中的合理性。通过Profili中的修型功能,分别增大翼型尾缘的上下翼面厚度。分析了在雷诺数Re=3×106情况下,尾缘厚度对气动特性的影响趋势及机理。     

风力机的翼型弯度对风力机翼型气动性能的影响

利用CFD软件对S827翼型进行数值计算,验证了选用RNG k-ε两方程作为CFD数值计算的湍流模式的合理性.基于RNG k-ε湍流模式对S902和S903两种翼型的气动性能进行了数值模拟计算,研究了翼型弯度对翼型的升力特性、阻力特性、最大升力系数、最大升阻比、流动分离特性、失速特性和深失速特性等气动特性的影响.     

基于刚柔耦合模型的行星传动固有特性分析

采用动态子结构法建立计入内齿圈柔性的行星传动刚柔耦合动力学模型,将内齿圈视为弹性连续体,导出内外约束条件下的运动微分方程,并将其与刚体构件的集中参数方程相结合,构建出系统的运动微分方程。基于所建模型,进行柔性齿圈直齿行星齿轮系的自由振动分析和相关试验验证。理论分析揭示出此类系统的振型可归结为4类:中心构件扭转振动模式、中心构件平移振动模式、行星轮振动模式和内齿圈振动模式,并给出每类振动模式的特征和降阶计算公式。数值仿真表明,内齿圈柔性使系统低阶固有频率降低,且新呈现的内齿圈振动模式对应的固有频率位于整个系统固有频率的中低频段,故在后续行星轮系的动态设计中应计及齿圈柔性的影响。振动试验则表明,内齿圈柔性对系统振动特性存在一定影响,除啮频激励和箱体结构共振外,行星传动中还存在低阶谐振现象;对于中低速工况下且太阳轮浮动的行星传动而言,减小齿圈柔性有利于降低系统振动。