高速列车交会时气流诱发振动的仿真研究

建立了CRH2型动车组的简化几何模型和50个自由度的车辆动力学模型.采用有限体积法对三维瞬态可压缩雷诺时均N-S方程和k-ε两方程湍流模型进行求解,并通过多体动力学计算得到了列车的动力学响应.详细分析了列车交会过程中气动力的变化与两列车相对位置的关系.研究发现:气动力在列车交会的短时间内发生迅速变化,气动力在高速列车交会过程中的作用非常明显,导致列车剧烈振动,列车的安全性和舒适性明显降低.     

车间纵向减振器对高速动车组动力学性能的影响研究

为研究车间纵向减振器对高速动车组相关动力学性能的影响,以CRH380B型动车组为基本模型,利用CRH380A型列车车间纵向减振器参数,基于车辆动力学理论,采用动力学仿真软件SIMPACK建立四动四拖八节编组的非线性列车动力学模型。对列车是否加装车间纵向减振器进行对比,分析列车平稳性、稳定性和列车纵向动力学。结果表明:加装车间纵向减振器可使车体横向平稳性指标降低4.4%,轮轨磨耗指数降低2.0%,车体摇头角降低36.4%,抑制车体1~3Hz的横向振动和0.4~13Hz的纵向振动。建议高速列车加装合理刚度和阻尼参数的车间纵向减振器。     

高速列车明线交会对列车的横向振动影响研究

采用数值分析方法,计算高速列车在明线交会过程中列车所受气动载荷,建立列车系统动力学模型,求解列车在气动力作用下的横向振动。采用有限体积法对三维瞬态可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程和RNGκ-ε方程湍流模型进行求解,并通过动网格动态铺层技术实现列车的运动,将计算出的气动力和力矩作用于车体,同时对轨道不平顺及气动载荷作用下的动力学进行分析与数值模拟。结果表明:明线列车交会过程中,在考虑气动力时,气动载荷的横向振动频率主要集中在0.5~6.5Hz范围内。列车横向振动加速度及横向平稳性的影响比只考虑轨道不平顺时明显增加,其中头车的影响最为明显。     

基于ALE方法的列车横风绕流动力学分析

利用有限体积法对横风作用下列车周围的空气流场进行计算.结合车辆-轨道耦合动力学,采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法处理列车与空气间存在的运动边界,实现了车辆系统动力学与计算流体力学之间的结合.以某国产客运列车为例,计算列车在20 m/s的横风作用下以160 km/h的速度运行时的动力学响应,给出列车周围的流场分布;分析了考虑与不考虑风-车之间流固耦合效应时,作用在车辆上的气动力和气动力矩的变化情况.结果表明,流固耦合效应对车体摇头力矩的影响比较大,而对于车体垂向、横向位移和加速度的影响甚微.     

横风下车体运动对高速列车气动性能的影响

为揭示横风下车体运动对高速列车气动性能的影响规律,通过数值模拟对典型车体运动形态下的横风气动性能开展研究。首先基于实车试验确定了横风下的车体典型运动形态并定义研究工况,然后通过改进的延迟分离涡模拟(IDDES)方法详细分析不同工况下的车体与转向架的气动载荷,以及列车周围的流场结构与表面压力变化情况。研究结果表明：横风下高速列车车体运动主要表现为侧滚与横移,车体的侧滚运动对列车升力的影响最明显,头、中、尾车升力均随着车体从迎风侧向背风侧运动而增大,并且车体向背风侧运动时,头车升力增大的幅度大于车体向迎风侧运动相同角度时减小的幅度;当车体运动时,第1转向架横向力、升力与倾覆力矩均增大;车体运动对列车头部、背风侧以及尾部的流动均有较明显的影响,车体向背风侧运动时,头车鼻尖区域流速降低,尾车鼻尖位置的高速流区扩大,并且由头部位置分离在背风侧形成的旋涡结构与车体的夹角呈增大趋势,旋涡流速减小;车体向迎风侧运动时,头车鼻尖区域流速增大,尾车鼻尖位置的高速流区缩小,并且从头部位置分离在背风侧形成的旋涡结构与车体的夹角呈减小趋势,而旋涡流速增大。     

高速动车组车间减振器对动力学性能的影响研究

利用SIMPACK软件建立某高速动车组(包括2节动车和1节拖车)的纵向、垂向、横向耦合动力学模型,在模拟高速运行并考虑基本气动力的作用下,探讨了高速动车组车间纵向、垂向、横向减振器对动车组运行平稳性指标及振动加速度、曲线通过安全性能的影响.计算结果表明,安装车间减振器对高速动车组的动力学性能具有一定的改善作用.     

明线交会对动车组动力学性能影响的仿真研究

利用列车空气动力学和轮轨动力学相结合的方法研究了动车组明线交会气动力对动力学的影响。首先采用流体软件FLUENT对动车组明线交会所受的气动力进行了研究,得到了不同交会速度下的各车气动力载荷;接着利用建立的动车组多体动力学模型,将气动力载荷作为轮轨动力学研究的载荷输入,研究了明线交会对动力学性能的影响。计算结果表明:明线交会对车体横向加速度较大,对轮轨力、脱轨系数和减载率等动力学性能影响有限。     

强侧风对高速列车运行安全性影响研究

在列车空气动力学和系统动力学相结合的基础上完成了相关研究工作。论文首先在研究列车受侧向风力的气动力特性基础上,利用流体力学计算软件FLUENT进行数值计算,得到不同侧风风速和列车车速下作用于车体的侧风载荷值;接着,利用所建立的高速列车动力学模型,将得到的风载荷值作为外加载荷作用于列车,研究了侧向风速对直线运行列车运行安全性的影响特性;最后,参照高速列车运行安全性相关限定标准,提出不同侧风风速下高速列车的最高安全运行速度,为特殊风环境下我国时速200 km/h及以上动车组安全运行提供理论依据。     

高速列车近尾流区涡旋结构的湍流特性分析

为降低高速列车的气动阻力和气动噪声提供理论支撑,以CRH380A型高速列车为原型,建立比例尺为1∶30的高速列车空气动力学模型,应用分离涡模拟方法对其周围流场进行数值计算。在对数值模拟方法合理性验证的基础上,结合湍动能和雷诺应力的变化规律,对高速列车近尾流区涡旋结构的湍流特性进行分析。结果表明:在尾车鼻端附近,近尾流区涡旋结构中的湍流涡旋具有可观的湍动能,并随着向下游发展而逐渐耗散,与此同时涡旋结构中所携带的能量沿展向方向移动;在尾车鼻端附近,受车体侧表面分离形成的剪切流动的影响,近尾流区涡旋结构中的湍流涡旋在较高的垂向位置上能够使流向和展向的脉动速度之间保持很好的相关性,而离尾车稍远的湍流涡旋则会在较低的垂向位置产生相对较大的雷诺应力;雷诺应力在垂向上的变化规律受到分别来自车体底部和车体顶部的分离剪切流动的影响,并且尾车鼻端附近的湍流涡旋在受到由车体底部分离形成的剪切流动的作用时,能使流向与垂向的脉动速度之间保持相对较好的相关性,即相应的雷诺应力较大。     

横风定常空气动力作用下的铁道列车曲线行驶安全性分析

应用计算流体动力学仿真获得了高速列车在3种典型横风环境下车体所受定常气动力,然后运用车辆多体动力学分析软件,对高速列车在通过曲线过程中所受横风下具有定常特性的气动力作用对其行驶安全性的影响进行了研究,确定了典型大风环境下处于危险状态的车轮,并通过试验设计方法,得出气动力6分力中气动升力和侧滚力矩对高速列车行驶安全性的影响最大.     

桥建合一玻璃幕墙结构动力特性仿真分析

高速铁路客运站房大型幕墙是一种桥建合一的结构体系,由于玻璃幕墙体系与列车轨道梁紧密相联,高速列车通过时可能引起玻璃幕墙共振的问题。因此,在设计幕墙结构体系时,行车振动对玻璃幕墙结构体系的影响必须予以考虑。以某高速铁路站房玻璃幕墙结构为研究对象,运用有限元方法进行数值动力仿真分析,分析结果表明:行车振动荷载不会使幕墙结构产生共振;双边列车通行相比单边列车通行,幕墙结构产生的平面外振动位移要大;当行车振动荷载激振方式为竖向力激振时,竖向激振荷载作用下幕墙结构的平面外振动位移很小。     

高速列车过隧道时对接触网安全性的影响分析

为研究高速列车过隧道时对接触网系统安全性的影响,采用数值模拟的方法,利用滑移网格技术,对不同编组的高速列车以350 km/h的速度分别通过单线隧道和双线隧道的过程进行仿真,通过监测吊柱位置处的气流速度和气体压力,得到隧道内活塞风特性;基于气动特性仿真结果,对接触线风振响应进行模拟仿真,得到隧道内接触线位移偏量范围。结果表明,列车编组越多,隧道断面越小,列车车速越大,形成的列车风速度越大,气动特性越显著;列车进入隧道入口瞬间,接触线有最大正向位移偏量为2.92 mm。     

悬挂式单轨车桥耦合动力分析

为研究悬挂式单轨运营过程中桥梁和车辆的动力响应变化规律,以某悬挂式单轨双线7跨30m简支梁方案为工程背景,运用通用有限元软件ANSYS建立桥梁有限元模型,分析桥梁的动力特性;然后在多体动力学软件SIMPACK中建立车桥耦合动力学模型,研究双线列车以运营速度对开通过桥梁时桥梁和车辆的动力响应,并分析轮胎刚度和列车编组对桥梁和列车动力性能的影响。分析结果表明:双线列车以65km/h的速度对开通过桥梁时,桥梁跨中的整体横向位移响应最大值为19.03mm,表明桥墩横向刚度较小;轮胎刚度对车桥系统的加速度响应有显著影响;3辆车编组过桥时,桥梁的竖向和横向响应值明显比1辆车编组大,因此,在车桥耦合动力仿真分析时,必须考虑列车编组对车桥系统动力响应的影响。     

桥梁墩台不均匀沉降时的车桥垂向系统耦合振动分析

运用自编车—线—桥垂向耦合振动分析程序,分析车辆通过桥梁时列车和桥梁的动力响应,研究桥梁墩台发生不均匀沉降对车、桥垂向系统耦合振动的影响。研究表明:货物列车通过时,在桥梁墩台不均匀沉降单一因素引起轨道不平顺的条件下,车辆和桥梁的动力响应随着列车速度的提高而增大,列车在经过桥梁折角时,轮轨力增大;在普通轨道不平顺和桥梁墩台不均匀沉降引起的附加轨道不平顺叠加的条件下,车辆和桥梁的动力指标中受到影响最大的是车体加速度,其次是轮重减载率,但各项指标均在规范规定的范围内。因此,对于客货共线的桥梁,规范限值可以满足货车运行安全性的要求,并且有一定的预留量。     

单层双层集装箱车体振动特征分析

为了分析单层双层集装箱车体振动特征及成因，利用柔性体接口处理技术对策（ITTS），建立了单层双层集装箱专用车辆刚柔耦合模型，并进行了整车模态分析对比和基于轨道谱的车体振动特征分析对比。这两种车体的结构型式是截然不同的，单层车体是利用一根纵梁构成的“鱼刺”形结构，而双层车体则是利用两个边梁构成的“落下孔”型结构。在三大件转向架的摇枕悬挂中，斜楔摩擦“卡滞”所产生的动力作用使单层车体形成了具有二阶垂向弯曲模态振动特征的弹性振动。由于通用转向架的摇枕悬挂与双层集装箱装载方式所形成的惯性特征不匹配，双层车体运动模态振动频率过低，如点头、摇头和侧滚等，造成车体结构产生伴随模态振动。因为双层车体具有“落下孔车”结构特征，其横向稳定性比较差，因而双层车体弹性振动特征与装箱方式有关，只有在上下20ft×2装箱时才出现一阶弯曲模态振动，其他装箱方式则主要表现为车体横向振动。     

大型养路机械车辆侧滚对曲线通过性能影响的试验分析

基于动力学性能试验数据,从轮轨力、轴箱弹簧垂向位移和中部车体垂向振动加速度3方面分析了大型养路机械通过曲线时由于较大幅度侧滚造成横向力偏大的原因,通过在转向架和车体间增加旁承限位滚子来减小侧滚幅度,试验结果表明该改进措施能大大减小轮轴横向力,增强车辆通过曲线的安全性。     

悬挂式单轨空、重车线路动力学响应分析

基于多体动力学软件Universal Mechanism建立60自由度的悬挂式单轨车辆系统动力学模型,主要基于乘客舒适度评价指标,探讨空、重车以80 km/h速度通过平竖曲线时动力学响应的异同。结果表明,结构的特殊性使得悬挂式单轨驶过缓圆点和缓直点后车体横向摆动幅度明显,车体横向偏角时变率、未被平衡离心加速度及其时变率结果均会产生一个较大的跃变现象,且重车工况下变化量更大。由于重车惯性更大的缘故,导致振动衰减过程中车体横向低频晃动更剧烈,同一平面线路工况下,重车比空车要多3个振动衰减周期;竖曲线条件下空、重车的振动衰减周期基本一致,但重车的最大垂向加速度更大。因此,鉴于空、重车在平竖曲线处动力特性差异的事实,有必要综合考虑两者用以后期悬挂式单轨列车线路参数的确定。     

城市轨道交通薄壁槽形梁车桥动力特性试验研究

对城轨高架标准跨薄壁槽形梁桥进行现场测试,获得桥梁的频率、振型、阻尼比等自振特性,以及列车通过时桥梁的位移、振幅、应力、加速度响应和车体加速度的测试资料,对其进行的分析结果表明:梁体挠跨比小于规范限值,列车通过时没有发生共振现象,梁体竖向刚度满足要求;梁跨横向基频大于规范值,桥梁横向基频较小,墩顶横向振幅较大,梁体横向刚度满足要求,而桥墩刚度相对不足;道床板和腹板发生局部振动,当设计车速提高时,应注意行车线路和腹板的局部稳定性;梁体总体纵向弯曲动力系数小于规范值,而道床板局部横向弯曲动力系数远大于梁体总体纵向弯曲动力系数;桥面加速度在限值范围内,采用Sperling指标和ISO2631指标评判桥上列车乘坐舒适度均为优秀;薄壁槽形梁适用于轨道交通高架线。     

基于强迫振动的列车-轨道-轨下结构垂向耦合动力分析方法及工程应用

将线路与线下结构分解为钢轨子系统和轨下结构子系统,其中钢轨子系统由上层钢轨和下层扣件一一对应的2层节点组成,钢轨处理为具有弹性离散点支承的连续梁,钢轨与扣件间的约束用弹簧-阻尼单元模拟,采用强迫位移和强迫速度的方法处理轨下结构对钢轨系统的作用,钢轨系统对轨下结构的作用则以外荷载方式施加,建立基于强迫振动的列车-轨道-轨下结构垂向耦合动力分析方法。应用该方法进行局部扣件失效对线路和车辆动力响应影响分析。结果表明:该方法能准确分析存在局部病害基础设施的动力特性;局部的扣件失效对轨下结构和车体振动影响较小,但会显著加剧轮轨之间的振动响应,车速350 km·h^-1时钢轨最大垂向位移为正常值的2.94倍,钢轨最大垂向振动加速度为正常值的2.97倍,最大轮轨力和轮重减载率分别较正常值增大了22.0%和50.2%。     

考虑车体弹性效应的铁道客车系统振动分析

建立了铁道客车垂向振动系统数学模型。将车体看成两端自由的均质等截面欧拉梁,并考虑二系悬挂采用半主动减振器,导出客车系统的运动微分方程组,给出客车系统各模态共振速度的定义和计算公式。共振速度是车辆系统的固有属性,车体弹性振动各模态共振速度由车体的自振频率和车辆定距决定。计算车体一阶和二阶弯曲振动共振速度及对应的轨道波长,进行了客车系统在轨道简谐输入情况下的幅频特性分析和随机输入情况下的随机响应分析。通过计算可知,为了减小车体垂向共振峰值,车体一阶弯曲自振频率应尽量离开构架的浮沉自振频率;由于车体弹性振动的影响,车体端部的振动加速度和位移要大于中部,弹性车体模型的平稳性指标大于刚性车体;采用半主动减振器能够显著降低车体的加速度、位移和平稳性指标,但会使构架的加速度和位移有所增大。