基于仿生形态的高速列车气动性能研究

基于工程仿生学理论,提出一种高速列车头型的设计方法,选取自然界中速度较快的几种典型动物为仿生对象,对生物体进行工程化仿生建模,从复杂的三维几何中,提取主要的特征线并忽略次要特征,得到基于仿生形态的高速列车头型,并与CRH型动车组进行基本气动性能的比较。研究结果表明,高速列车以350 km/h在明线下运行时,海豚型列车所受的阻力最小,其次是蜂鸟型,二者的运行阻力均小于CRH型,而大白鲨型列车的阻力最大;分析了各仿生设计列车纵向截面积随距鼻尖长度变化的关系,线性趋势程度由高到低排序:海豚型蜂鸟型CRH型大白鲨型,而列车的阻力系数刚好与该顺序相反,说明头型截面积沿长度方向的线性变化程度越高,其气动阻力越小。     

高速列车气动噪声及影响

以Lighthill声类比理论为基础,采用计算流体力学的方法得出列车高速运行时车体表面的偶极子声源分布数据,在此基础上采用边界元法求解得到高速列车通过时周边气动噪声的分布情况,对铁路沿线气动噪声的分布规律进行探讨,得出偶极子声源的辐射规律,并分析声屏障对铁路边界气动噪声传播规律的影响及其对沿线噪声的抑制作用。     

轮对旋转对高速列车气动性能的影响

转向架作为高速列车气动阻力的一个重要来源,其周围流场结构较为复杂。基于三维定常可压缩N-S方程和κ-ε两方程湍流模型,建立了高速列车空气动力学模型,采用有限体积法对时速为350 km/h的高速列车转向架空气动力学性能进行了数值模拟。研究了转向架周边流场结构和转向架阻力分布特性,结果表明:由于轮对的旋转,转向架轮对附近会产生较多的涡流,流场结构变得更复杂;考虑轮对旋转后转向架总阻力会有所增加,且分布规律也会发生一定的变化。     

8车编组重联及16车编组下高速列车气动性能研究

为研究长大编组情况下高速列车的空气动力学性能,基于Navier-Stokes方程及标准k-ε湍流模型建立高速列车空气动力学计算模型,计算两列8车编组重联及16车编组情况下的高速列车空气动力学性能。数值计算结果表明,在重联区域,8车流线型处的流动分离直接作用于9车,影响了两车的气动阻力分布,8车阻力系数为0.094,9车阻力系数为0.145,8车编组重联整车气动阻力较16车编组增大0.060。重联编组下,向上升力最大的是8车,升力系数为0.073,向下升力最大的是头车,升力系数为-0.101。对于16车编组,向上升力最大的是尾车,其升力系数为0.054,向下升力最大的为头车,其升力系数为-0.088。研究结果对长编组高速列车气动性能优化具有参考意义。     

基于非光滑表面的高速列车转向架区域气动减阻性能

为了减小列车行进中的气动阻力,将仿生学中普遍应用的非光滑表面单元体布置于高速列车中间车的转向架区域端墙处。应用计算流体动力学的方法,对列车流场进行数值模拟,比较非光滑表面单元体(凹坑)对列车的气动减阻效果,与光滑列车的气动阻力相比,中间车减阻率可达1.05%。通过比较光滑模型和非光滑模型的压差阻力、黏性阻力的变化情况,得到了非光滑表面的减阻原理,为进一步研究车体非光滑表面气动减阻效果提供理论依据。     

高速列车转向架区气动噪声分离研究

高速列车转向架区的噪声包含气动噪声、轮轨噪声和设备（结构）噪声,为了将这几种噪声进行分离,将工况传递路径分析（operational transfer path analysis,简称OTPA）技术用于转向架区气动噪声分离。低速运行工况,转向架区的噪声主要是轮轨噪声和由电机、轴箱、齿轮箱等动力设备产生的结构噪声,气动噪声很小可以忽略不计,通过低速运行工况的传递路径分析可以得到轮轨声和结构声路径的传递函数;高速运行工况,转向架区目标点的噪声是3种噪声贡献叠加的结果,在假定轮轨噪声和结构噪声传递函数不随速度变化的前提下,用低速运行工况下的传递函数可以求得轮轨噪声和结构噪声的贡献量,与目标点总值比较,差异部分即为气动噪声的贡献量。分离结果表明,气动噪声占主导的速度转折点出现在200 km/h,350 km/h速度级下气动噪声的贡献量达到60%,轮轨噪声的贡献量约为30%,仍不可忽略。     

高速列车车体气动载荷疲劳强度分析

根据高速列车在线路运行实际情况设置了四种气动载荷工况:明线会车,隧道通过,隧道会车和侧风。将得到的四种气动载荷工况的数值施加到高速列车车体有限元模型上,对其进行气动载荷的疲劳强度分析。计算分析结果表明,四种工况下的最大应力都小于车体材料的许用应力,最大位移变形均发生在车体底部。在疲劳强度分析中,不仅考虑了垂向、横向和气动载荷的组合,也考虑了纵向和气动载荷的组合。根据疲劳评定结果得知安全裕量最小为2.93MPa,安全系数最小为1.083;根据疲劳分析结果得知:车体结构在气动载荷作用下满足疲劳强度要求,车体承受较恶劣的工况是同时承受气动载荷和纵向载荷。     

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。     

基于域动网格技术的列车外形对气动性能的影响研究

为解决隧道与列车相对运动的问题,将域动网格技术应用到列车隧道效应研究中。通过建立高速列车隧道物理模型,采用有限体积法求解三维可压缩非定常流动模型以及双方程湍流模型,开展了高速列车穿越隧道时的非定常流场的数值模拟。研究了列车头型对列车尾涡的影响,列车头型对列车车身表面压力的影响,车长对列车摩擦阻力和列车压差阻力的影响。在计算结果的基础上对高速列车的头型和车长进行了评价。研究结果表明：列车头型的流线化程度越高,列车的气动阻力越小,列车尾涡涡心越低;列车长度对列车的压差阻力影响不大,对列车的摩擦阻力影响较大;通过数值计算得到的结果可以为列车头型的设计提供理论依据,为列车车长的定型和列车减阻提供参考。     

风沙环境下高速列车气动性能研究

为研究高速列车在风沙环境下的气动特性,基于多相流中的欧拉模型理论,建立了高速列车空气动力学模型。数值计算分析了高速列车在0°与90°风向角下的气动特性变化规律。计算结果表明:与无沙情况相比,列车在0°与90°的风向角下,头车的正压区域变大,尾车的正压区域变小,沙尘对头车的冲击最为严重;在0°风向角有沙情况下,列车头车、中间车、尾车的阻力均增大,列车总阻力增大6%左右,头车向下的升力与尾车向上的升力均变大,中间车的升力基本不变;在90°风向角有沙情况下,头车与中间车的阻力变大,尾车阻力变小,列车的总阻力变大,头车、中间车和尾车的升力均减小、侧力均增加。     

暴风雪条件下列车气动特性及倾覆稳定性分析

为研究高速列车在恶劣气候条件(暴风雪)下的气动特征及安全性等问题,将采用欧拉双流体模型进行数值模拟的方法应用到对CRH-2高速列车在暴风雪条件下的研究中。开展了对列车周围空气流场的分析,建立了流场与列车受力之间的关系,提出了有关列车稳定性的临界倾覆速度的计算方法;在强侧风及强侧风和强降雪耦合的两种情况下对列车的倾覆稳定性进行了评价。研究结果表明,两种情况下列车倾覆临界速度的趋势相似,而且在强侧风及强降雪情况下,列车的侧向力系数、侧滚力矩系数比较单纯的侧风天气条件显著增加;降雪工况下列车的临界速度比无降雪时减小20%~50%,即降雪条件下,列车更容易发生倾覆;计算结果可以为在暴风雪条件下列车的安全行驶提供参考。     

Position control optimization of aerodynamic brake device for high-speed trains

The aerodynamic braking is a clean and non-adhesion braking, and can be used to provide extra braking force during high-speed emergency braking. The research of aerodynamic braking has attracted more and more attentions in recent years. However, most researchers in this field focus on aerodynamic effects and seldom on issues of position control of the aerodynamic braking board. The purpose of this paper is to explore position control optimization of the braking board in an aerodynamic braking prototype. The mathematical models of the hydraulic drive unit in the aerodynamic braking system are analyzed in detail, and the simulation models are established. Three control functions--constant, linear, and quadratic--are explored. Two kinds of criteria, including the position steady-state error and the acceleration of the piston rod, are used to evaluate system performance. Simulation results show that the position steady state-error is reduced from around 12-2 mm by applying a linear instead of a constant function, while the acceleration is reduced from 25,71-3.70 m/s2 with a quadratic control function. Use of the quadratic control function is shown to improve system performance. Experimental results obtained by measuring the position response of the piston rod on a test-bench also suggest a reduced position error and smooth movement of the piston rod. This implies that the acceleration is smaller when using the quadratic function, thus verifying the effectiveness of control schemes to improve to system performance. This paper proposes an effective and easily implemented control scheme that improves the position response of hydraulic cylinders during position control.     

基于弹性构架的高速列车动力学分析

为了分析弹性构架的结构振动特性及其对车体、轮对等部件振动响应的影响,利用ANSYS建立了构架的弹性体,并采用多体动力学软件建立了高速车辆的刚柔混合动力学模型,通过仿真计算表明:弹性构架振动加速度幅值及其振动频率范围都高于刚性构架,在高速工况下,横向与垂向平稳性指标明显高于刚性构架时的动力学指标.由此建议在进行高速工况动力学分析时,构架考虑为弹性体更符合车辆的实际运行状态.     

高速列车车轮多边形对齿轮箱疲劳寿命的影响

车轮多边形是高速列车运行过程中常见的磨耗现象,该现象使轮轨作用力增大,齿轮箱持续异常振动,并会影响其疲劳寿命.为研究高速列车车轮多边形对齿轮箱疲劳寿命的影响,建立了含有齿轮箱支撑轴承的驱动系统和柔性齿轮箱的刚柔耦合整车动力学模型,采用数值仿真分析方法,通过分析不同车轮多边形幅值下轮轨垂向力和齿轮箱垂向振动加速度确定极端...     

高速列车横向悬挂系统振动结构研究

研究了高速列车横向悬挂系统的振动结构。为了抑制列车横向振动,提高平稳性,分析了列车横向悬挂系统振动结构的主要矛盾和相互关系。采用Simulink仿真软件建立了17个自由度的列车横向悬挂系统车体模型,以加速度功率谱密度函数为依据,建立了关系函数,对横移、侧滚、摇头振动和前、后端转向架横向合成振动指标相互关系进行了分析。结果表明,列车在高速情况下,在最令人敏感的低频段,摇头振动是引起列车横向振动的主要因素;随着速度的提高,主要影响因素从摇头振动向横移和侧滚振动发生着量的变化。     

高速列车座椅半主动悬架系统研究

综合考虑悬架、车体、座椅及人体对系统振动特性的影响,建立高速列车座椅半主动悬架系统的四自由度数学模型,并提出了基于加速度阻尼的半主动控制策略,运用MATLAB/Simulink软件对建立的数学模型进行仿真研究。仿真结果表明:相比被动悬架座椅,采用基于加速度阻尼的半主动控制策略,可以明显降低座椅和人体的最大加速度值。     

基于构件的高速列车车体有限元模型快速生成

高速列车车体属于典型骨架型结构产品.在高速列车车体方案设计阶段为了快速实现设计模型和有限元模型的生成和修改,提出一种基于构件理论的车体快速设计体系.研究了车体零件的定位关系,对车体零件提取构件,应用知识工程和强力拷贝技术建立自顶向下的车体三维模型;并应用车体定位装配关系生成硬点硬线,将三维模型几何数据与来自零件的关联知识通过算法自动生成车体有限元模型,实现车体三维设计模型和有限元仿真模型的快速迭代设计.     

高速列车单车通过隧道压力波的研究

采用计算流体力学的数值计算方法对基于三维、瞬态、可压缩Navier-Stokes方程和κ-ε两方程紊流模型进行求解,模拟高速列车单车通过隧道时列车外流场的特性,分析高速列车单车通过隧道的压力波特性及阻力变化规律。结果表明列车单车通过隧道的压力波最小负压值与速度为二次函数的关系,列车阻力主要由压差阻力构成。研究结果可为解决隧道空气动力学问题提供参考依据。     

某型号高速列车M车刚度及静强度评估

首先利用三维建模软件建立某型号高速列车M车(motor coach,M)车体结构的三维模型,导入ANSYS离散为有限元模型;其次是从理论和模态分析方法出发进行刚度评估和验证该有限元模型的有效性;最后采用有限元分析方法按照相关标准对车体结构进行静强度评估.     

下吊设备对高速列车弹性车体垂向运行平稳性影响

建立了包含下吊设备的铁道车辆垂向刚柔耦合动力学模型,设计了下吊设备隔振元件参数,并分析了隔振元件参数、设备质量及吊挂位置对车辆运行平稳性及设备本身振动的影响,结果表明,合理设置下吊设备隔振参数可以有效减小车体弹性振动;隔振元件静挠度即刚度在隔振中起主要作用;随着车辆运行速度的改变,静挠度最优值会相应偏移,针对所研究的高速车辆而言,静挠度选取6 mm时,可以保证车辆垂向运行平稳性良好,且下吊设备振动不剧烈.结果还表明,质量大的设备宜靠近车体中部悬挂.