高速列车U型橡胶外风挡结构模态有限元计算与试验分析

随着旅客列车运行速度的提升,安装在车厢连接处的U型橡胶外风挡结构在列车空气动力作用下产生变形振动,当气动载荷的激励频率接近外风挡结构固有频率时易引起共振现象。为分析U型橡胶外风挡结构固有动态特性,利用模态有限元计算和试验相结合的方法,比较有限元模态计算中2种材料本构模型的区别,并研究模态试验激励点与响应点位置对U型橡胶外风挡结构模态参数的影响。研究结果表明:有限元模态分析时,网格单元层数过少导致计算结果刚度偏大;采用Mooney-Rivlin本构模型计算橡胶材料模态参数相对于线弹性更为合适;有限元模态分析所得结构振型可为模态试验响应点位置的选择提供指导。研究成果可为高速列车U型橡胶外风挡结构设计提供参考。     

高速列车外风挡安装间距对风挡气动特性的影响

为探明空气动力作用下,高速列车外风挡与车体外表面安装间距对风挡气动特性的影响规律,采用三维、定常、不可压缩雷诺时均R-S方程和RNG k-ε双方程湍流模型数值算法,对0,10,20和30 mm不同安装间距的三车编组半包式外风挡高速动车组进行数值模拟,列车明线运行速度等级为350 km/h。研究结果表明:安装间距对于风挡受侧向力影响较大,尤其是橡胶弧顶与来流相对的外风挡所受侧向力与安装间距成二次函数关系,安装间距30 mm的外风挡受侧向力最大为785N;安装间距对外风挡所受阻力、升力的影响较小,橡胶弧顶相对的两块外风挡阻力方向相反,外风挡气动升力均为负升力且最大为62N;安装间距导致外风挡表面压力分布呈现规律性变化,将外风挡表面气动压力映射到有限元计算模型上,分析不同安装间距下气动载荷作用对外风挡结构变形与应力的影响。本文研究结果可对外风挡结构强度与优化设计,以及安装位置精度要求提供指导。     

高速动车组车端内风挡动力学特性试验研究

开展高速动车组内风挡动力学特性研究是改善车端连接系统动力学性能的重要内容。首先,介绍了高速动车组车端内风挡系统,并采用模态试验的方法获得内风挡固有振动特性。其次,基于350 km/h速度等级高速动车组进行实车线路试验,对内风挡与安装框架进行了振动测试,对比分析外风挡有无间隙条件下内风挡与车端连接系统之间的动态关系。研究表明,高速动车组内风挡结构的前8阶固有振动频率之间数值接近,使得内风挡振动的主频范围增大,易受列车运行过程中的宽频激扰引发弹性共振。当列车外风挡无间隙时,内风挡结构在风挡框架的宽频振动激励下其多阶固有频率被激励,产生接近固有频率的弹性共振;当列车外风挡之间存在间隙时,空腔内压力变化频率使得内风挡产生强迫振动。研究可为内风挡疲劳寿命以及内风挡结构动力学性能设计提供参考。     

风挡结构对CRH380B型动车组气动特性的影响研究

车端连接处的风挡是影响高速列车气动特性的关键部件。基于雷诺时均法的k-ε方程,建立3节编组的CRH380B型高速列车的稳态流场计算模型,通过风洞试验验证计算模型的准确性,并研究不同形式的风挡结构对高速列车气动特性的影响。研究表明,与其他形式的风挡相比,采用闭合式半风挡的列车在梳理流场迹线和气流方向等方面效果显著,建议在中间车厢连接处采用闭合式半风挡;全封闭外风挡能够有效地控制流场速度分布和减小端面正负压力,建议在车头与后端车厢连接处以及车尾与前端车厢连接处采用全封闭外风挡。     

城际动车组气动阻力优化的风洞试验研究

采用风洞试验方法对城际动车组气动阻力优化进行研究,获得不同侧滑角下的城际列车明线及横风气动阻力,并分析头部外形、风挡结构、车底设备对动车组气动阻力的影响规律。研究结果表明:侧偏角在0°～10°范围内,随着侧滑角增加,头车阻力系数逐渐增大,中间车阻力系数先增大后减小;尾车阻力系数对于侧滑角最敏感,头车次之,中间车最小。无横风时,设置外风挡显著减小了头车及尾车阻力系数,但导致中间车阻力系数增加约16.7%,整车阻力系数仅减小4%左右。安装设备舱后,车体底部杂乱的气流变得平顺,无横风时整车气动阻力系数较减小22%,而横风环境下整车气动阻力系数降幅可达25%。     

车端风挡形式对高速列车气动噪声的影响研究

以国内某型高速列车的3车编组模型及不同形式外风挡为研究对象,采用大涡模拟和FW-H声学方程结合的计算方法,探究车端外风挡间隙和包覆面积对整车气动噪声的影响,得出增加外风挡包覆面积、采取对接密贴风挡有助于降低车端气动噪声,并通过风洞试验进行了验证。     

城际列车气动阻力组成分析及减阻研究

采用基于SSTκ-ω的DDES数值模拟计算方法,对城际列车的气动阻力进行研究。分析城际列车的阻力分布及组成,根据列车流场变化对列车表面进行平顺化,主要优化车下设备、风挡和空调等部位,分析各种措施减阻效果。通过对结果的分析对比,得出了其变化规律:列车气动阻力主要由压差阻力组成,占总阻力的70%~90%;列车转向架、车下设备、受电弓及风挡连接处流场变化比较剧烈,需通过外形优化进行减阻。优化模型减阻效果显著,以设备舱的形式封装车下设备,总气动阻力下降3.7%;封装车下设备的同时采用外风挡,列车总气动阻力下降12.7%;增加2种不同角度的空调导流装置,总气动阻力分别下降16.3%和18.9%。     

风挡缝宽对高速列车气动性能的影响

以3节车厢组成的EMU列车1∶8缩比简化外形为基础,在速度为65m/s条件下,对全封闭原始外风挡,平整外风挡缩比后间距缝隙分别为5、7、9mm,半包外风挡,以及5 mm缝隙前移27 mm工况下的6种外风挡形式对列车各车厢气动性能的影响进行了研究,并对列车各组成部分的气动力特性进行了统计和归类,给出不同外风挡缝宽条件下各部件对列车总气动力的贡献,详细分析风挡内部的压力和速度特性随缝宽的变化规律,为高速列车局部减阻优化设计提供了决策依据。     

车端间距对高速列车风挡气动噪声的影响

为研究车端间距对高速列车风挡气动噪声的影响,文章利用大涡模拟方法和Lighthill声学比拟理论建立高速列车风挡气动噪声数值计算模型,并设计四种不同车端间距下的风挡方案,计算相应的气动噪声。结果表明,风挡的气动噪声随着车端间距的增加而增大,在满足工程约束的条件下,可以通过减小车端间距来改善高速列车风挡的气动噪声。     

冬季运营时高寒动车组外风挡缝隙问题分析

针对高寒动车组外风挡在冬季低温环境下存在缝隙的问题,从外风挡材料性能及制造公差等方面进行原因分析,并通过相应的结构改进及优化设计加以解决。试验情况表明,结构改进及优化设计后的外风挡能有效解决高寒动车组冬季运营过程存在的缝隙问题。     

城际铁路列车通过地下站站台门时的风致效应仿真与试验研究

针对城际铁路列车高速通过地下车站时,站台门在列车气动载荷的作用下产生结构变形,且难以在运营线路上进行实时监测的问题,文章提出一种将计算流体力学、有限元分析和线路试验相结合的分析方法。该方法采用流体力学仿真技术计算出城际铁路列车过站风压,并通过模拟列车过站时的气动载荷,对站台门结构变形开展有限元分析,最后在具备列车160km/h高速过站工况的线路上进行试验验证。将试验与仿真数据进行对比可得,有限元分析和线路试验两者得出的应力变化趋势基本一致,且最大的标准差不超过0.43,从而验证城际铁路地下站站台门有限元模型加载方法的可行性,为进一步研究站台门在城际铁路以及高速铁路中的应用提供依据。     

气动载荷对高速动车组的设备舱强度影响研究

对比分析了现有高速动车组设备舱强度计算与评估标准,提出将气动载荷设为定值研究设备舱疲劳强度的方法。通过静强度分析优化改进了设备舱结构,对比分析了单独施加气动和冲击,同时施加气动和冲击对设备舱静载荷的性能影响;同时参照标准和实测载荷,探索性研究了不同气动载荷下设备舱疲劳特性。分析结果表明,气动载荷对设备舱强度影响较大,±1 500 Pa气动载荷下设备舱疲劳强度满足设计要求。     

高速列车局部外形气动优化设计研究

随着高速列车运行速度的提高,列车外形对气动性能的影响越发显著。以中国标准动车组为原型建立1:8比例3车编组仿真模型,对3种转向架裙板减阻方案、5种排障器导流罩减阻方案、4种车厢连接处外风挡减阻方案进行风洞试验。在60m/s风速,0°侧偏角条件下,裙板最优方案能使整车减阻10.2%;排障器导流罩最优方案能使整车减阻2.1%,外风挡最优方案能使整车减阻1.8%。试验结果为进一步优化中国标准动车组气动外形提供了理论参照。     

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。     

车厢间风挡形式对高速列车气动性能的影响

以3节车厢组成的CRH380型列车简化模型为基础,在速度分别为360、420、500 km/h的条件下,研究车厢间7种风挡形式对各车厢和车厢连接处气动性能的影响.对比分析结果表明:车厢间风挡形式对车厢的压差阻力和黏性阻力影响不大;上下风挡比侧风挡对车厢的升力影响更大;车厢间采用全风挡与采用典型风挡相比,前者车厢连接处的气动阻力约为后者的7％,而无风挡的车厢连接处的气动阻力约为其50％;若车厢间采用上下和两侧闭式风挡,则车厢连接处的压差阻力约为典型风挡的30％.综合考虑气动性能和工程易实现性,采用上下和两侧闭式风挡形式更适用于高速列车.     

地铁B型车车体弹性变形量对车辆限界的影响研究

为了研究车体弹性变形量对车辆限界的影响情况,依据EN 12663对地铁某B型车体进行仿真计算,分析其模态及不同工况下的车体受载变形情况,找到对车辆限界产生影响的车体变形量。研究结果表明:在实际运用中不会发生车体共振;扭转载荷作用下车体肩部向外产生的1.3 mm变形量、压缩载荷作用下车顶中部向上产生的8.6 mm变形量、压缩与垂向载荷共同作用下车顶中部向上产生4.0 mm变形量会对车辆限界产生影响。提出在地铁车辆限界计算需对车肩变形量处理、B1型车车辆限界计算需对车顶变形量处理。     

高速列车交会激励下雨棚振动响应

站台雨棚作为铁路重要基础设施,当动车组正线通过时会激扰雨棚造成结构损伤。为研究外部载荷激励下雨棚的动力响应规律及其主要影响因素,建立某高铁车站站台雨棚结构动力仿真模型,仿真计算CR400AF型动车组以不同车速在雨棚中交会时的气动载荷和轮轨力。结果表明：动车组交会时产生的气动载荷和轮轨力与车速有关,随着车速提高气动载荷和轮轨力增大,且气动载荷与车速的平方成正比;雨棚靠近线路中心位置处所受的气动载荷最大,雨棚宽度、长度方向所受气动载荷极值近似于呈对称分布,气动载荷随雨棚高度的增加而减小;雨棚振动响应与车速有关,随着车速提高雨棚振动响应增大;同等速度级交会工况下,雨棚端部振动响应比中部大;气动载荷和轮轨力对雨棚振动响应影响程度不同,其中气动载荷起主要作用。     

CRH3型高速动车组空气动力学阻力特性优化设计

为改善CRH3型高速动车组阻力特性,对头型、风挡、空调等影响列车气动性能的部件进行了优化设计。为分析优化效果,采用有限体积法离散雷诺平均N-S方程和低雷诺数的k-ε两方程模型,采用压力修正的求解算法和多块对接的网格技术,通过大规模并行计算,对CRH3型动车组多种优化设计方案进行了精细化数值模拟评估。计算结果表明,所采用的优化措施可以有效降低动车组高速运行时的气动阻力。     

高速列车受电弓减阻的风洞试验研究

我国对列车气动阻力的研究主要考虑列车的头型、断面形状和底部外形等方面,在受电弓减阻方面也主要是考虑受电弓的结构外形,然而对于受电弓残阻的风洞试验研究比较少.为了获得某高速列车的空气动力特性,并考察受电弓各种减阻措施的效果,在中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所的8 m×6 m风洞中进行了列车模型的风洞试验,在风洞试验中通过在受电弓前部安装各种导流罩和风挡来测试其对受电弓阻力的影响.试验结果表明:受电弓的存在会对列车的气动阻力有约3.2%的增加;在头车尾部安装反向导流罩能有效的降低受电弓的气动阻力;在受电弓前郝安装风挡,这种风挡在侧偏角为0°时对受电弓的减阻有一定效果.     

不同诱导结构对折叠式压溃管动态吸能影响

建立带预压结构的折叠式压溃管有限元模型,得到其动态冲击下轴对称变形模式和撞击力-位移曲线,对折叠压溃管进行动态冲击实验,有限元仿真结果与实验结果的变形模式和撞击力-位移曲线吻合良好,验证了有限元模型的准确性。通过仿真分析发现预压缩能减小圆管在动态冲击下的第1个褶皱波长,但对整体变形模式和撞击平台力大小基本无影响。在此基础上,对无预压圆管开设4种不同的诱导结构:外表面开槽诱导和内外表面交替开槽诱导、外波纹诱导、内外表面波纹管诱导,分析发现内外表面交替开槽和内外波纹管诱导结构能控制圆管的变形模式,外表面开槽诱导对圆管的褶皱波瓣形状有一定影响,外表面波纹诱导会让圆管呈现一定的非对称变形。与初始圆管相比,4种诱导圆管中,只有外部开槽诱导下的圆管比吸能增大,同时载荷波动系数减小29.4%,撞击平台力与初始圆管基本相当。本文可为折叠式压溃管吸能特性优化提供参考。