车辆--轨道耦合动力学仿真软件TTISIM及其试验验证

TTISIM仿真软件采用现代车辆—轨道耦合动力学理论,全面考虑轨道结构参振影响及动态轮轨空间接触几何关系。结合近年来国内有关提速、脱轨、新型机车车辆动力学现场试验,对TTISIM软件进行了系统的分析验证。结果表明,用该仿真软件计算的结果与试验测量结果吻合良好,说明该仿真软件可以用来分析研究各种铁道机车车辆在不同状态线路上运行时的动力学性能。     

绝对空间中的铁道车辆非线性动力学仿真

从铁道车辆三维可视化建模和仿真要求出发,基于面向对象软件技术,本文叙述了绝对空间中铁道车辆非线性动力学仿真的有关力学原理和计算结构,特别是Hertz理论在空间轮轨弹性碰撞中的完整应用。并用编制的仿真软件VSDS对ManchesterBenchmarks的客车模型进行了曲线通过工况仿真,指出绝对空间中铁道车辆非线性动力学仿真的可行性和实用性。     

基于刚体模型的铁道车辆曲线运动轮轨力分析

针对目前借助复杂的车轨动力学仿真计算铁路线路曲线段轮轨力存在计算量大的问题,在分析铁道车辆曲线通过时运动学关系基础上,忽略车辆摇头和点头运动的影响,构建仅包含垂向、横向和侧滚运动3个自由度的刚体模型;利用质心运动定理和对质心的动量矩定理,建立车辆动力学基本方程组,由此推导出任意超高、任意线型条件下,以线路参数(平面曲线曲率、超高和轨距)和车辆结构参数(车辆质心到轨顶面距离和车辆对质心的回转半径)表达的轮轨力计算式及近似解,从而能较为高效地实现不同线路条件下铁道车辆曲线运动轮轨力预测。     

横风作用时间对高速客车直线运行安全性的影响

基于车辆/轨道耦合动力学原理,建立了横风作用下的车辆/轨道耦合动力学模型。模型中,车辆系统采用两系悬挂共35个自由度的多刚体动力学模型。轨道系统采用3层连续弹性离散点支承模型。用赫兹接触理论计算轮轨法向力,用沈氏理论计算轮轨滚动接触蠕滑力,并用显式积分法求解系统运动方程。横风由作用在车体中心的气动升力、侧力和倾覆力矩来模拟。通过数值计算,得到了横风作用下高速客车直线运行的系统动态响应,分析了不同横风作用时间对运行安全性的影响。结果显示,随着横风作用时间的增长,车辆脱轨系数、轮重减载率乃至倾覆系数迅速增大,车辆运行安全性不断降低。     

轮轨非线性几何接触对铁道车辆稳定性影响的研究

与一般的机械系统相比,铁道车辆系统有着特殊的轮轨接触关系。尽管在理论上轮轨接触的几何关系是确定的,但是它具有很强的非线性特征,在高速运行条件下对铁道车辆运行稳定性有很大的影响。分析了轮轨滚动接触的几何线性和非线性参数表达,并通过车辆临界速度分叉图讨论了它们对车辆运行稳定性的影响。分析结果显示:随着车轮踏面名义等效锥度的减小,会使车辆线性临界速度和非线性临界速度增大;而在名义等效锥度大致相同时,轮轨接触的几何非线性参数的变化对车辆的动力学响应有比较大的影响,随着它的减小,速度分叉图中轮对横移幅值小的临界速度明显减小。从现场实测数据分析也能得到相似的结果。     

高速机车车辆动力学模拟中的轮轨接触模型

为解决铁路实现高速化后严重加剧的车辆和线路状态恶化问题,必须从加强车辆—轨道系统动力学的 研究着手。迄今所发展的传统滚动接触理论仅适用于低频车辆动力学,且仅限于小蠕滑的情况。为适应高频车 辆—轨道系统动力学和大蠕滑的驱动动力学研究的需要,必须研究发展新的轮轨滚动接触力学。本文在对传统 滚动接触理论的发展作简要评述后,主要介绍并讨论了近期为配合铁路实现高速化而发展起来的新轮轨滚动接 触理论:高频非稳态滚动接触,非Hertz接触,有限元法,宏观滑动区域的接触模型及钢轨疲劳损坏机理等方 面问题。这些问题对铁路实现高速化的意义都是非常重大的。     

基于钢轨支点压力的动车组轮轨垂向力测量方法

在现有运营线路上实时检测车轮踏面擦伤或车轮不圆的铁道车辆运行品质轨旁动态监测系统（Truck Performance Detection System,TPDS）的基础上，基于车辆轨道耦合动力学理论建立刚柔耦合模型，计算得出支点垂向力对各车轮的分配系数，利用钢轨支点处压力传感器的实测数据反算得到车轮的轮轨垂向力，实现了无剪力分区条件下轮轨垂向力的连续检测。选取一高速铁路上TPDS压力传感器测量数据，用本文方法计算轮轨垂向力，并与现有TPDS系统计算方法得到的轮轨垂向力进行比较。结果表明：二者得出的轮轨垂向力具有很好的一致性，相关系数在0.8以上。     

速度400 km/h轮对初始旋转惯性对滚动接触有限元模型的影响

基于显式动力学有限元方法所建立的三维轮轨滚动接触模型是研究高速铁路轮轨相互作用的有效工具。该模型既考虑轮轨的真实几何形状(包括不平顺)和材料非线性，又详细考虑轮轨间的几何接触关系和轮轨系统的纵向动力学性能，得到广泛的应用。在具体实现模型仿真时，采用隐式-显式相结合的办法。传统的做法是，隐式计算时不考虑车轮的旋转，只考虑重力作用下的静态位移场，然后将得到的静态结果作为显式计算的初始条件，同时对车轮施加前进速度和转动角速度以及转矩等条件，求解轮轨的相互作用。大量文献表明，用这种做法来启动显式动力学求解，会产生剧烈的初始瞬态响应，导致求解时间过长，甚至不收敛，尤其在速度高达400 km/h时。基于此，对上述模型进行了改进，在进行隐式计算时，首先考虑车轮的旋转，得到车轮在离心力作用下的位移，在此基础上再考虑车轮受重力作用与钢轨发生接触，得到接触斑、法向接触应力以及车轮的应力应变等，然后将更新后的结果作为显式计算的初始条件进行显式动力学求解。算例表明：改进后的模型可大大减小初始瞬态响应，减少有限元节点和网格数，从而加快计算的收敛过程，提高计算效率；轮轨力频谱存在无衰减频带，在该频带内轮轨力随着模...     

轮轨黏着状态对曲线区段轮轨动态相互作用的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论，建立了考虑不同轮轨黏着状态的地铁车辆-轨道耦合动力学模型，分析了轮轨界面黏着状态和曲线半径对轮轨系统动态相互作用的影响。结果表明：车辆通过曲线区段时，轮轨界面黏着状态对轮对运动姿态和轮轨系统动态相互作用的影响显著；轮轨界面存在低黏着接触状态会削弱轮对导向能力，致使脱轨系数增大，尤其当外侧轮轨界面存在低黏着接触状态时影响更大；通过润滑适当减小内侧轮轨摩擦因数，同时保持较大外侧轮轨摩擦因数可有效减小脱轨系数，提高车辆横向运行安全性；内外侧轮轨磨耗指数主要由所在侧轮轨黏着状态决定，且随曲线半径增大而减小。     

车辆作用下板式轨道动力分析模型及验证

基于车辆-轨道耦合动力学理论;采用多刚体动力学理论建立车辆系统动力学方程;以梁-板-板有限元模型模拟板式轨道;通过轮轨关系将车辆系统和板式轨道系统联系在一起;建立车辆-板式轨道耦合动力学模型。采用德国高速低干扰谱作为轮轨激励进行板式轨道动力学仿真分析。车辆参数按200 km/h动车组选取;轨道参数参照遂渝线板式轨道结构选取;计算多种车辆运行速度下板式轨道的动力响应;并与遂渝线无砟轨道综合试验段动力学测试结果对比。仿真计算结果与试验数据吻合较好,表明该模型正确可靠,可用于研究车辆荷载作用下板式轨道的动力学问题。     

不同轮轨型面匹配关系及其轮轨动力特性分析

根据轮轨空间动态耦合关系,对现有不同车轮踏面和钢轨型面的轮轨接触几何关系进行了分析。利用车辆/轨道耦合动力学原理,进行了不同轮轨型面匹配的动力学仿真分析,并根据仿真计算结果,提出了现阶段我国铁路重载运输最佳轮轨型面匹配建议。     

普通轨与槽型轨对现代有轨电车小半径曲线通过能力的影响

为研究不同类型钢轨上有轨电车的小半径曲线通过能力,基于多体动力学理论,建立了四模块低地板现代有轨电车仿真模型。在模型中考虑CHN60钢轨与60R2槽型轨的影响,并依据规范设置了3条小半径曲线线路,最后以车辆脱轨系数和轮重减载率为评价指标,对有轨电车小半径曲线通过能力进行评价分析。结果表明:两种钢轨上的有轨电车非线性临界速度均能满足车辆运行要求,且运行在CHN60轨上的车辆具有更好的非线性运动稳定性;在小半径曲线线路上运行时,60R2槽型轨上的车辆具有更好的稳定性,且槽型轨断面具有一定的护轨功能,因而在有轨电车钢轨选型上,建议使用槽型钢轨。     

接触轨安装精度对中低速磁浮列车受流的影响

通过建立运动学模型,对接触轨的安装精度影响中低速磁浮列车受流可靠性进行了动力学分析,得出接触轨相邻点的安装相对误差控制在0.5 mm以内,为接触轨系统工程设计和安装施工提供必要参考。     

基于试验数据的城轨车辆二系悬挂系统神经网络辨识研究

针对城市轨道车辆二系悬挂系统的输入-输出动态关系,根据实测数据应用神经网络对城市轨道车辆二系悬挂系统进行辨识,建立了二系悬挂动态系统神经网络模型。仿真结果表明:所采用的辨识网络能够对城市轨道车辆二系悬挂系统的动态关系进行有效的辨识,可以建立一个分析二系悬挂系统特性的神经网络模型。     

车轮不圆顺轮轨滚动接触行为的动态有限元仿真方法

高速轮轨滚动接触行为涉及几何、材料和接触非线性,动态效应显著,加之轮轨缺陷引起的接触不平顺等诸多因素的耦合影响,以及轮轨缺陷的尺寸、形状、位置和分布的随机性特点,给准确求解高速轮轨系统的动态响应带来极大挑战。针对上述诸多困难,以车轮不圆顺为例,提出将其转换为轮轨接触位移不平顺的动态有限元仿真方法,该方法在考虑轮轨系统强非线性特征和动态效应影响的同时,能够较好地表征缺陷的随机性特点,并能够有效地求解轮轨接触应力/应变状态。     

列车系统运行平稳性研究

在车辆动力学模型的基础上,建立由3辆拖车组成的列车动力学模型。建模过程中考虑列车系统中存在的轮轨接触几何关系非线性、轮轨蠕滑率/蠕滑力的非线性、钩缓装置作用力的非线性以及车辆模型一、二系悬挂作用力的非线性等因素。研究车间连接刚度和连接阻尼对列车运行平稳性的影响。仿真结果表明,车间横向连接刚度和横向连接阻尼系数对列车的运行平稳性影响较大,而车间垂向连接刚度和垂向连接阻尼系数对列车的运行平稳性影响很小。在列车中的相邻两车之间安装横向减振器能够有效地提高列车的横向运行平稳性,并能够改善列车的垂向运行平稳性。仿真结果还发现,在转向架悬挂参数相同的情况下,单一车辆的运行平稳性指标大于列车的运行平稳性指标。     

钢轨打磨对动车组轮轨匹配及磨耗影响研究

为解决动车组车辆在运行中出现的晃车及加速度异常情况,对磨耗后钢轨型面进行打磨,并通过仿真分析以及跟踪测量对打磨效果进行评估。分析结果表明,打磨后轮轨接触点对分布较打磨前更窄,分布于滚动圆附近,轮对发生横移时滚动圆半径变化较小,但由于其较小的接触面积导致接触应力较大,易产生较大的垂磨;打磨后钢轨匹配时由于等效锥度较小,对车辆运行稳定性及车体振动起到改善作用;打磨后钢轨的磨耗位置居中,磨耗面积小但垂直磨耗大,在运行一段时间后,轮轨接触光带会缓慢增大。因此,钢轨打磨缓解了车辆运行过程中构架横向加速度异常的情况,虽其滚动圆处垂磨较大,但其总磨耗量较打磨前小,且降低了对钢轨的损伤,有利于延长钢轨的寿命。