基于大涡模拟的高速列车横风运行安全性研究

结合高速列车空气动力学和多体系统动力学,研究横风对高速列车运行安全性的影响.首先采用大涡模拟计算方法,研究了不同横风风速下高速列车非定常气动载荷的时域及频域特性,列车周围流场结构及相应的非定常流场特性.然后建立高速列车多体系统动力学模型,将得到的气动力作为外加载荷作用于列车上,研究了不同横风风速下定常气动力和非定常气动力对直线上高速列车运行安全性的影响特性,计算结果表明,与定常气动力相比,作用于车身上的非定常气动力使列车的振动加剧.最后参照高速列车的安全运行标准,对高速列车的安全运行进行分析,为横风下高速列车的安全运行提供参考.     

强侧向风作用下的高速列车动力学性能研究

针对强侧向风下高速旅客列车运行安全性问题,利用SIMPACK软件建立了3车三维动力学仿真模型,根据已有的高速列车在侧向风下的空气动力学模拟计算得到的风载荷数据,分析了侧向风对列车在直道和曲线上动力学性能的影响。结果表明,列车的轮轨参数考察指标如轮轨横向力、脱轨系数及减载率等均显著增大,最大值均发生在头车。最后得出几种典型风速下直道和曲线上列车最高允许车速的参考值。     

强侧风下高架桥上轨道列车的安全运行

城市轨道列车在高架桥上运行时会受到强侧 风的影响,危及列车的安全运行。结合北京地铁 13 号 线、昌平线等线路的实际情况,针对强侧向风下列车的 安全运行问题,采用 SIMPACK 软件建立单车三维动力 学仿真模型。以高速列车在侧向风下的空气动力学模 拟计算得到的风载荷数据为基础,推导出列车在低速行 驶的风荷载,分析强侧风对列车在高架线路曲线段上 动力学性能的影响。结果表明,在强侧风影响下,列车 的轮轨动力参数考察指标( 如轮轨横向力、脱轨系数及 减载率) 均显著增大。最后提出在强侧风影响下,列车 在不同曲线半径下安全运行的最高车速参考值。     

侧风风场特征对高速列车气动性能作用的研究

侧风风场特征,如均匀风和大气底层边界速度型对高速列车在侧风环境下运行的安全性评估有直接影响.为了准确地评估侧风对在平原上运行的高速列车的影响,基于三维定常可压缩流动的NS方程,采用SSTk-ω两方程湍流模型和有限体积法,对时速350 km的动车组在均匀风和大气底层边界速度型风场中的流场和气动力特性分别进行了数值模拟计算和分析.结果表明:对在平原上运行的高速列车而言,作用于列车的气动升力、侧向力及倾覆力矩均随侧风风向角的增大而迅速增大;当风场为大气底层边界速度型时,列车顶部与底部及两个侧面的压力差小于风场为均匀风时的压力差,侧向力及倾覆力矩均小于风场为均匀风时的力及力矩,升力则随侧风风向角的增加具有不确定性.采用均匀风场评估高速列车在平原侧风环境中运行的安全性,会高估侧风对列车运行安全影响的风险,使得过低地限制列车的安全行驶速度,从而影响列车的正常运行效率.建议采用大气底层边界速度型风场进行评估.     

不同侧风模型下的高速列车安全性研究

为了研究适用于高速列车侧风安全性评价的风载模型和评价指标,基于均匀风假设和空气动力学结果建立了定常稳态风载模型,基于EN 14067—6—2010标准提出的瞬态风速分布模型和准静态理论建立了瞬态中国帽风载模型,基于AR模型建立了随机风载模型。建立了具有86个自由度的某高速动车组头车详细的动力学仿真模型,并将不同风载模型作为外部激励施加到车辆上。采用数值仿真方法,研究不同的风载模型和轨道激扰对运行安全性评价指标数值的影响,从而确定适合高速列车的风载模型和安全性评价指标,给出高速列车不同运行速度下的临界安全风速。结果表明,采用瞬态中国帽风载模型且不施加轨道激扰、用侧风倾覆系数评判运行安全性,适合我国高速列车的侧风安全性评价。     

强侧风作用下不同类型铁路货车在青藏线路堤上运行时的气动性能比较

在强侧风作用下,作用于列车的气动力迅速增加,严重影响列车运行的稳定性。本文基于三维、非定常N-S方程,采用动网格技术对货物列车在青藏线路堤上强侧风作用下运行进行了模拟计算,得到棚车、集装箱平车、敞车和罐车4种类型货物列车所受气动力。将计算结果与风洞实验结果进行对比,升力、侧向力和倾覆力矩均吻合较好。计算结果说明:随着侧风速度的增大,作用于棚车、集装箱平车、敞车、罐车的侧向力及倾覆力矩均显著增大;在强侧风作用下,棚车所受侧向力及倾覆力矩最大,故棚车在强侧风作用下较易发生倾覆事故,而罐车所受侧向力及倾覆力矩最小。     

侧向风作用下桥上列车交会过程的空气动力特性

以CRH3型高速列车为研究对象,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟方法和动网格技术,通过局部动态层变法实现对侧向风作用下桥上列车交会过程的动态模拟,研究侧向风作用下桥上列车交会过程的空气动力特性。结果表明:无侧风情况下桥上列车交会时所产生的交会压力波是导致列车气动力波动的主要原因;在侧向风的作用下车-桥耦合系统的空气动力特性表现出明显的三维时空特性;与无侧向风作用相比,在侧向风的作用下,两交会列车车体表面的整体压力分布已不再具有对称性,其中迎风侧列车所受风荷载较背风侧列车的大;在列车交会过程中,由于迎风侧列车对侧向风的遮挡效应,使得背风侧列车的风荷载突变更加剧烈,这对背风侧列车过桥的安全性和舒适性更为不利;随着列车运行速度的提高,列车的侧向力系数、倾覆力矩系数逐渐增大,而且其气动力系数在列车交会瞬间的突变更加剧烈。     

不同侧偏角下跨坐式单轨列车侧向气动特性分析

侧向气动特性在很大程度上影响着跨坐式单轨车的运行安全性。基于CFD方法对不同侧偏角影响下的某跨坐式单轨列车侧向气动特性进行模拟分析。通过比较分析不同方案下的侧向气动力计算结果及列车周围流场结构,得出随侧偏角的增加跨坐式单轨列车侧向气动力逐渐增大,头车受到的侧向力和侧倾力矩最大,因而侧风对头车的运行安全性影响最大的结论。     

CRH3G动车组横风运行安全性分析

良好的横风运行安全性是实现高速动车组速度能力提升的有效手段.现搭建了基于空气动力学和车辆系统动力学的高速列车车辆横风运行安全性耦合计算模型,根据动车组在不同车速(150～300 km/h)和风速(10～35 m/s)下的气动力和气动力矩计算结果,分析了不同气动载荷对动车组动力学性能的影响.在此基础上,提出了CRH3G动车组的横风运行安全速度域.     

风障对侧风作用下列车行车安全影响的数值模拟研究

侧风引起的列车安全事故偶有发生,列车的侧风安全性问题也受到越来越多的重视。风障是解决列车在侧风环境下行车安全问题的主要手段。本文基于计算流体动力学的基本理论,结合新疆列车翻车事故,利用FLUENT软件,对列车在侧风环境下的三维绕流情况进行数值模拟,分析不同开窗情况对列车运行安全的影响;并通过计算未安装风障和安装50%孔隙率风障时列车三维绕流下的压力分布、流线和气动力,分析列车在侧风作用下的稳定性,以及不同开窗情况下风障对列车行车安全的影响。计算结果表明:合理的风障设计可以明显提高列车的运行安全性。     

风荷载作用下大跨度桥梁的动力响应及行车安全性分析

根据桥梁结构动力学、车辆动力学、轮轨相互作用以及结构风振的基本原理，研究风、列车、桥梁构成的动力相互作用系统的振动机理。结合实桥的动力研究，建立风荷载作用下的列车和大跨度桥梁系统动力相互作用分析模型，研究桥梁在脉动风荷载和列车荷载同时作用下的振动特性，以及桥上列车受风荷载作用下运行的安全性和平稳性，从而得出风速、车速、桥型等多种因素对风-车-桥动力系统振动特性等影响的研究结论。主要研究内容如下。     

非定常气动荷载对桥上列车行驶安全舒适性影响分析

为了研究非定常气动力荷载对桥上列车行车安全性和舒适性的影响,结合有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK,建立列车-轨道-桥梁三维多体系统模型,计算风-列车-桥梁耦合系统的动力响应;对比分析定常与非定常气动力荷载作用下桥上列车的行驶安全与舒适性,研究非定常气动力荷载作用下不同横向风速对列车行驶安全的影响。研究结果表明:列车行驶速度为200~300km/h,无风荷载情况下,各安全性与舒适性指标值均满足要求且均小于风荷载作用。横风作用下平均风速为20 m/s,考虑非定常气动力荷载的影响不仅会使列车行驶安全评估结果更安全,还会使列车舒适性评估结果偏于保守。平均风速不超过20 m/s,车速控制在250 km/h,桥上列车行车安全、舒适性均满足要求,且平稳性等级可达到"良好"以上。通过对不同横向风速下桥上列车行驶安全分析,给出桥上列车安全行驶的阈值,为列车的安全运营提供依据。     

高速列车振动荷载作用下沉管地基整体稳定性研究

通过数值模拟方法研究高速列车在通过沉管隧道时,对沉管地基的影响,分析评价沉管地基在高速列车作用下的液化可能性。利用车轨动力相互作用模型,重新研究确定高速列车在不同速度下作用于沉管隧道整体道床上的动荷载;对沉管隧道的三个典型断面,计算高速列车动载作用下地基的最大剪应力分布;最后确定了沉管地基3种等效振次的抗液化剪应力。结果表明长江沉管隧道地基有足够的能力抵抗列车的周期性荷载。     

基于动力学分析的高速铁路空间线型振动敏感点分析

随着高速铁路建设和运营技术的不断发展,作为构造物中心线和列车运行轨迹的线路空间曲线线型在铁路系统中越来越受到重视,空间曲线变化点对列车运行动力特性的影响也成为关注重点。为完善高速铁路线路设计理论提供相关依据,以多体系统动力学理论和行驶动力学理论为基础,运用SIMPACK软件建立车-线耦合动力学模型,模拟高速列车在不同工况下的曲线运行状态;分析模型仿真结果,对车体经过缓直点产生的振动的衰减时间进行统计并计算得出相应的振动衰减距离。结果表明:缓直点引起的车体振动衰减距离主要取决于车体横向振动衰减,且随实设超高增大而增大,与曲线半径关系不明显;线路相邻的两平面曲线以及相邻平面曲线与竖曲线之间的最小距离不应小于100 m,条件较好的情况下不宜小于230 m。     

基于着色Petri网的高速列车追踪运行过程建模与仿真

为了验证高速铁路移动闭塞系统(Moving Automatic System,简称MAS)结构完整性、控制逻辑正确性以及列车追踪运行的动态控制过程,利用着色Petri网建立移动闭塞条件下高速列车两车追踪运行控制过程的模型,采用相对制动方式下基于追踪效率最高的区间追踪间隔原理,设计了控制策略决策模块,模拟列车牵引加速、惰行以及减速运行等控制过程,研究MA更新周期变化对列车追踪控制的影响。仿真结果表明所建立的模型可以有效描述MAS下高速列车追踪运行控制过程,且MA更新的周期越小,列车的行为控制越灵敏,达到预期控制目标所需要的时间更短,满足行车安全性、高效性要求。仿真结果将为MAS在高速铁路中的实际应用提供理论指导。     

动静荷载分离思路下高铁基床累积变形计算方法

高铁循环列车动荷载作用下,基床累积变形不仅与列车安全运营密切相关,同时对指导线路服役期精细化维修管理意义重大,而目前基床累积变形分析存在途径偏少、精度偏低等问题。为探索适合高铁基床累积变形分析方法,依托沪宁城际铁路路基工程背景,基于动、静荷载引起动变形(沉降)的新思路,将运营期沉降数据推算工后沉降与建设期沉降数据推算工后沉降差值(推算法),以及运营期沉降与静载计算固结沉降差值(估算法)作为列车动载引起的累积变形,由此提出一种由实测数据推算与估算基床累积变形的新途径,并将该方法用到实例分析中。结果表明:推算与估算获取累积变形随时间发展规律吻合,均呈快速-缓慢-稳定3阶段特征,估算结果一致性好于推算;基床累积变形在铁路运营前3年基本达到稳定,量值控制在3.5 mm以内;数值模型验证了"推算与估算"方法可行。     

基于预测电流控制的CIT400高速综合检测列车运行特性仿真分析方法

基于CIT400高速综合检测列车牵引传动系统的结构和牵引特性,运用MATLAB/Simulink软件建立预测电流控制下的高速综合检测列车牵引传动系统仿真模型,仿真分析列车在牵引和制动工况下受电弓短时断电及网压波动时的运行特性,并与实测数据进行对比分析。研究表明:仿真结果与实测数据基本一致,建立的仿真模型能正确反映列车的运行特性,能够满足列车实际运行的动静态要求。     

横风作用下高速列车安全运行速度限值的研究

横风作用下的列车安全运行速度限值应通过列车气动特性和车辆轨道动力学特性的分析得到。以我国CRH3型高速列车实车为原型,考虑真实受电弓、转向架等列车的细部特征,假定列车在平地上行驶,对列车速度分别为200、250、300、350和380km/h,横风速度分别为10、15、20、25和30m/s,风向角为90°的25个工况进行气动特性的数值模拟,并采用国内实测轨道谱和德国轨道谱分别对这25个工况的车辆轨道动力学性能进行仿真计算和对比分析。结合国家标准和技术规范,给出CRH3型列车在平地上运行时,横风风速与列车最大安全运行速度之间的对应关系,为横风作用下的列车运行安全控制提供参考。     

列车振动作用下沉管地基砂土液化可能性研究

根据土动力学和轨道动力学的原理 ,利用列车 轨道系统动力分析模型和提出的隧道结构 地层动力分析模型 ,分析高速列车作用下沉管地基的动力响应 ,根据模型计算了京沪高速铁路南京上元门沉管隧道地基在高速列车作用下的动剪应力分布 ;通过对现场地质资料的回归分析得到了沉管隧道 3个典型断面的地基抗液化剪应力 ,据此分析了沉管地基在高速列车作用下的液化可能性 ,以便为沉管隧道的进一步设计施工提供参考     

高速铁路轨道结构理论研究进展

轨道结构安全服役的关键理论研究是确保我国大规模高速铁路路网高效运营的重大基础性工作,本文针对我国高速铁路轨道结构安全服役问题进行了综合论述,提出以高速道岔、无砟轨道、无缝线路三大关键轨道结构为研究对象,围绕环境因素与列车动荷载耦合、重复作用下工程结构与材料动态性能演化、高速铁路轨道结构损伤及累积变形、高速车辆系统与固定轨道结构的动态相互作用演变机制等关键问题,开展其动态性能演变及服役安全理论和工程技术方面的研究,以期为我国高速铁路轨道结构服役安全与高效维护提供基础理论和关键技术支撑。