磁浮列车车轨耦合振动仿真研究

为了分析车轨道耦合振动过程中各因素的影响,建立了车体-悬浮架-轨道的简化动力学模型和动力学方程,利用数值方法研究了一节列车在静态悬浮过程中,整个车体与轨道耦合振动的垂向动力学行为.分析了轨道和车辆主要参数对振动的影响,并给出了仿真结果.仿真结果表明,轨道的抗弯刚度,长度,车轨质量比,以及车辆的悬浮刚度对于耦合振动影响较大;同时经过二系悬挂的衰减,车厢的振动较小.结论可供车辆悬浮控制器设计和轨道梁设计参考.     

参数化列车碰撞平台的动力学建模与仿真

轨道车辆的设计过程中,有限元碰撞仿真方法建模复杂、修改周期长.为快速计算准确的列车碰撞响应,基于车辆-轨道耦合动力学理论,使用Matlab程序语言,建立参数化列车碰撞平台.根据实际参数,将车辆实体模型转化为数学模型,将连续轨道模型离散为弹性点支承模型;基于Hertz接触理论,使用向量法建立轮轨相互作用模型;将车钩缓冲装...     

柔性轮对结构振动对车辆动力学性能的影响

为研究轮对柔性对车辆动力学的影响,建立高速列车轮对的有限元模型,对轮对进行自由模态分析.通过模态综合法获取柔性轮对模态信息,应用多体系统动力学理论建立柔性轮对-刚性轨道接触力学模型;建立包含高速旋转柔性轮对的车辆-轨道耦合动力学模型,研究高速列车在直线和曲线通过时轮对结构振动对车辆动力学性能的影响.结果表明:轮对的结构振动对轮轨接触点位置、蠕滑率、蠕滑力和脱轨因数等均产生较明显的影响,但是对轮重减载率影响较小,因此应采用更加精确的柔性轮轨耦合模型研究轮轨相互作用、轮轨滚动接触疲劳和轮轨噪声等.     

面向非线性轨道车辆动力学的广义多步显式积分算法应用*

为了改善计算效率,在非线性轨道车辆动力学仿真中引入广义多步显式积分算法.针对非线性系统将算法改造为增量格式.列车动力学模型由轨道车辆模型和钩缓装置模型等组成.采用增量格式的广义多步显式积分算法分别研究列车连挂冲击和列车中低速碰撞问题.研究结果表明:广义多步显式积分算法在测试的算例中具有良好的稳定性,其计算速度约为龙格库塔法的3.8倍.干摩擦式钩缓装置模型在过渡状态存在车钩锁死现象.由于车钩锁死列车撞击过程中会出现车体加速度的高频振荡.广义多步显式积分算法可以适用于非线性轨道车辆动力学仿真.     

基于多体系统动力学和有限元法的联合仿真在车桥耦合振动研究中的应用*

为了实现车桥耦合振动精细化仿真研究,利用多体系统动力学软件SIMPACK建立完整的车辆空间模型,采用空间杆系和板壳混合单元有限元方法建立桥梁的动力分析模型;然后将车辆和桥梁两个子系统在轮轨接触面离散的信息点上进行数据交换,实现车桥耦合振动联合仿真分析。以高速铁路上的简支梁桥为研究对象,采用基于多体系统动力学和有限元法结合的联合仿真技术,计算了弹性轮轨接触时动车组列车以不同车速通过桥梁的空间耦合振动响应,证明了该研究方法的可行性。     

基于多体动力学的车辆道岔通过性能研究

道岔复杂的轮轨关系及其变截面特性是车辆通过道岔时引起振动甚至脱轨的关键因素.根据60kg/m钢轨18号可动心轨道岔设计布置图,在多体动力学软件中建立车辆—道岔耦合系统模型,在此基础上对车辆—道岔系统模型进行验证,仿真计算车辆侧向和直向通过道岔的动力学响应.结果表明转辙器区、辙叉区轨道截面变化和轮轨型面匹配是影响车辆动力学性能的主要因素.最后,对车辆侧向通过离散轨道模型工况下的动力学响应进行仿真计算,讨论道岔轨下整体刚度和阻尼对模型动力学性能的影响,为改善车辆通过道岔时的动力学性能、道岔轨下刚度与阻尼参数匹配提供理论基础.     

高速动车组强耦合模型的分布式滑模控制策略

高速动车组是由多节车辆与钩缓装置链接而成的复杂系统. 将钩缓装置等效成弹簧 ? 阻尼器系统, 分析动车组运行过程中钩缓装置对相邻车辆作用的动力学机理, 明确作用方式, 建立高速动车组的强耦合模型. 根据列车模型动力或制动力输入的分散特征, 设计分布式神经网络滑模控制策略, 对高速动车组进行速度跟踪控制. 为减小速度跟踪过程中未知因素对高速动车组控制精度的影响, 利用列车历史运行数据, 采用历史工况数据中心对当前控制律输出进行补偿以提高控制精度与实用稳定性. 采用高速动车组运行仿真平台的仿真实验结果表明, 该建模方法较以往多质点模型更能体现高速动车组运行特性, 且采用补偿规则的控制策略优于传统控制效果.     

抗蛇形减振器失效对车辆动力学性能的影响

为研究高速动车组车辆动力学性能对抗蛇形减振器失效的敏感性,以国内某型高速动车组为研究对象,以其实际动力学参数为依据,建立该型动车组的整车动力学模型。对抗蛇形减振器不同失效形式下的车辆动力学性能进行研究,结论认为：抗蛇形减振器失效对车辆动力学性能尤其是对列车的横向动力学性能影响显著;当列车行驶速度在250~380 km/h时,车辆系统动力学性能各项指标随列车行驶速度的增大而增大,随抗蛇形减振器失效个数的增加而增大。     

横风下桥梁高度对高速列车交会性能的影响

为研究横风下桥梁高度对高速列车会车性能的影响,基于空气动力学和列车系统动力学,分析指数风分布下不同高度桥梁周围的流场,建立高速列车多体系统动力学模型,模拟横风下列车在不同高度桥梁上会车时的表面压力特性和气动载荷特性.将得到的气动力作为外加载荷作用于列车上,分析桥梁高度对高速列车会车安全性能的影响.结果表明:当列车在环境风下交会时,背风侧列车的气动力波动大于迎风侧列车的气动力波动;当监测点风速固定且桥梁高度小于15 m时,随着桥梁高度的增加,列车的气动载荷最大幅值和安全指标最大幅值均有所减小;当桥梁高度为15～30 m时,随着桥梁高度的增加,列车的气动性能和动力学性能基本保持不变.     

横风对高速列车气动性能的影响

随高速列车在横风下的气动特性急剧变化,安全问题十分突出。本文以京沪高铁CRH型动车组作为典型研究对象,建立三维模型,研究横风风速和列车车速对列车轮轨动力学的影响、单列高速列车在明线横风环境中运行的气动特性,从而得出如下结论：(1)列车在横向风中行驶时,选择列车的气动升力为例,以200 km/h和300 km/h运行的列车在风速从15.1m/s逐渐增加到30.0 m/s分别增加了340.6%和337.2%的气动升力;在风速为15.1 m/s, 22.2 m/s和30.0 m/s时,车速从200 km/h增加到300 km/h时,分别增加了18.3%、19.1%和20.1%的气动升力。由此可知,在横向风环境下列车车体所受的气动升力随着车速和风速的提高而逐渐增大。(2)在横风环境下,列车的迎风侧大部分区域受正压,背风侧大部分受负压,最大正压区域为头车鼻尖处,空气流速在列车上端拐角边缘最高。根据列车长度方向,列车两侧的压强差逐渐减少。通过对高速列车的气动特性进行研究,从而为高速列车风灾防治和运行安全管理提供参考,以及为制定具有自主知识产权的高速风灾安全预警控制系统提供了科学依据。     

Multi-solver algorithms for the partitioned simulation of fluid–structure interaction

In partitioned fluid–structure interaction simulations, the flow equations and the structural equations are solved separately. As a result, a coupling algorithm is needed to enforce the equilibrium on the fluid–structure interface in cases with strong interaction. This coupling algorithm performs coupling iterations between the solver of the flow equations and the solver of the structural equations. Current coupling algorithms couple one flow solver with one structural solver. Here, a new class of multi-solver quasi-Newton coupling algorithms for unsteady fluid–structure interaction simulations is presented. More than one flow solver and more than one structural solver are used for a single simulation. The numerical experiments demonstrate that the duration of a simulation decreases as the number of solvers is increased.     

基于UM的磁浮列车-轨道梁耦合振动仿真程序开发

基于大型通用多体动力学仿真分析平台Universal Mechanism(UM),开发用于磁浮列车 轨道梁耦合振动仿真的专用程序UM Maglev,其中：磁浮列车设置为多刚体模型,弹簧和阻尼器的刚度和阻尼视为线性或非线性力元;轨道梁设置为三维铁木辛柯梁模型,或从外部有限元软件导入模态分析结果;轨道线路包含平面和纵断面曲线、超高和轨面随机不平顺;悬浮和导向系统控制采用PID模型;多体动力学系统微分 代数方程求解采用Park刚性稳定法。该程序可用于考察磁浮列车的曲线通过性能、运行平稳性和乘坐舒适度,研究悬浮/导向气隙与磁浮控制系统参数优化,分析轨道梁在动态电磁力作用下的振动响应。     

Interaction of flexible multibody systems with fluids analyzed by means of smoothed particle hydrodynamics

The present work deals with a computational approach to fluid-structure interaction (FSI) problems by coupling of flexible multibody system dynamics and fluid dynamics. Since the methods for the numerical modeling are well known, both for the structural and the fluid part, the focus of this work lies on the coupling formalism. Moreover, the applicability of the presented approach to arbitrary geometries and high structural stiffness is studied, as well as an easy model setup. No restriction should be made on the topology of the structure or the complexity of motion.For the fluid part a meshless method, known as smoothed particle hydrodynamics (SPH) is applied, which fulfills the above requirements. While an explicit time integration scheme in SPH provides a fast simulation of the fluid dynamics, advanced methods from flexible multibody dynamics provide a variety of benefits for the simulation of the solid part. Amongst these are specialized structural finite elements for both small and large deformation bodies, joints, stable implicit time-integration schemes, and model reduction techniques.A rule for the interaction between fluids and structures is derived from imposing a distributed potential over boundary segments of the structures, which the fluid particles respond to. The work is concluded by illustrative examples, demonstrating the successful coupling of flexible multibody systems with fluids.     

基于空气流体动力学的高速列车制动盘散热性能模拟

基于CFD法分析高速列车制动盘的散热情况,得到制动盘各个区域的平均对流换热系数.在此散热条件下,用顺序耦合法模拟制动盘的温度场,实现复杂六边形热载荷的加载,并将二次制动温度场的模拟结果与试验数据进行对比分析.结果表明：模拟结果与试验数据在冷却阶段吻合度较高,且在制动阶段中最高温度值误差不超过5%.     

基于高次多项式动力凸轮型线的配气机构性能分析

为分析高次多项式动力凸轮型线的特性参数对配气机构性能的影响,以某高速汽油机双顶置凸轮轴配气系统为研究对象,基于配气机构运动学和动力学计算理论,建立高次多项式动力凸轮型线的数学模型.在AVL-TYCON中建立运动学和动力学仿真模型,计算并分析丰满因数、正加速脉冲宽度和润滑因数等关键评价指标的变化规律,结果表明：随着各阶幂指数的增大,丰满因数逐渐增加,发动机获得较好的充气性能,但正加速度宽度逐渐减小,配气机构工作平稳性变差.     

基于预测控制的列车精确停车算法

精确停车是评价列车自动驾驶性能的关键指标之一。在分析列车停车阶段运行情况的基础上,考虑制动模型的延迟特性和列车运行特性的约束条件,运用广义预测控制理论,将列车运行的参考速度和参考距离作为控制目标,结合控制量所需满足的约束条件,设计了一种带约束的多目标预测控制器,以提高停车精度和列车运行的舒适性。通过仿真实例表明,该控制器不仅可以使列车精确跟踪停车目标曲线,达到高精度的停车要求,而且使列车运行具有更高的舒适性。     

Partitioned strong coupling algorithms for fluid–structure interaction

Numerical simulation of fluid–structure interaction is often attempted in the context of partitioned methods, where already existing solvers for fluid or structure alone are used jointly. Mostly this is done by exchanging information from time step to time step in an alternating fashion. These weak coupling methods are explicit and hence suffer from possible instabilities. Therefore often strong coupling––where equilibrium is satisfied jointly between fluid and structure in each time step––is desired; the simplest computational procedure is similar to the time stepping an alternating iteration. We show why also this approach may experience difficulties, and how they may be circumvented with block-Newton methods, still in the partitioned framework, by only using the solvers of the subproblems fluid and structure.     

高速列车车厢结构声-振耦合响应数值分析

为研究高速列车运行时结构表面产生的强声压对乘坐环境和结构破坏的影响,针对某型高速列车建立车厢声-振耦合有限元模型,研究车厢的结构模态、室内声场模态及结构-声场耦合系统模态;针对其所处特殊动态环境,计算耦合系统谐响应,考察其振动特点及室内噪声分布情况.计算结果表明,车厢结构低阶模态显示出良好的整体性,在较高频段内以局部模...