基于空簧气动响应的高速列车交会动力学分析

空气弹簧的动态特性受其内部压力影响较大,为了更深入地分析动车组高速交会时的运行安全性,需要考虑空气弹簧在交会流场下的气动响应。将空气弹簧的气动流体力学模型与某型动车组的整车动力学模型相结合,以列车交会气动流场压力的时间历程作为空气弹簧与车体的外部激励,分析了动车组以不同车速交会时的动力学特性。研究结果表明,交会车速越高,空气弹簧的内压波动幅度越大;会车中车体的垂向平稳性优于横向平稳性;轮轨垂向力与轮重减载率受会车流场的影响较小,在会车时有较大的安全余量;当两车以450km／h车速交会时,空气弹簧内压波动可达30．78％,且轮轴横向力与脱轨系数会在车头鼻端通过观测点的瞬间超过安全限制,影响列车的运行安全性。     

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。     

横风下普速客车与动车组在挡风墙后交会气动性能

基于三维、非定常、不可压缩N-S方程和k-ε双方程湍流模型,采用滑移网格技术,对横风作用下普速客车与动车组在挡风墙后交会气动性能进行数值模拟,并研究4种挡风墙高度对交会列车气动性能的影响。研究结果表明:数值模拟的列车表面瞬变压力与实车试验结果规律一致,交会压力波峰值的相对误差在10%以内;普速客车和动车组在横风下交会时,横风使得列车头部和尾部最大正压区和负压区域均发生了横向偏移;动车组与普速客车所受横向力和倾覆力矩均随着车速的增加而增加,当普速客车车速由100 km/h增至160 km/h时,普速客车和动车组倾覆力矩峰值分别增加了11.7%和20.8%,动车组受交会车速的影响更大。设置3.5 m高的挡风墙时,列车受到的横向力在4种挡风墙高度中整体上最小,与无挡风墙时相比,普速客车机车和动车组头车受到的横向力峰值分别下降了85.7%和45.4%,列车气动性能明显改善。     

土质路基上板式无砟轨道结构的动力学性能仿真研究

依据系统工程理论的思想,基于车辆—轨道耦合动力学理论和有限元理论,建立机车车辆和板式无砟轨道结构的力学模型,采用ABAQUS软件实现滚动接触过程的轮轨接触的模拟,对铁路客运专线土质路基板式无砟轨道结构在高速行车条件下的动力学性能进行仿真分析研究。结果表明：板式无砟轨道结构的平顺性很好;动车组轮轨垂向力、轮重减载率、轮轨垂向力动载系数和各轮脱轨系数的最大值及其离散性均随着列车速度的提高而增大,整个动车组所有车轮的轮轨横向力最大值以及各轴的轮轴横向力均远小于安全控制值;板式无砟轨道结构各部分的振动加速度和主要振动频带范围随着列车速度的增大而增大;板式无砟轨道结构的振动衰减情况良好。     

高速铁路有砟轨道轮轨附加动荷载取值研究

为提出符合我国高速铁路有砟轨道线路质量状态的轮轨垂向附加动荷载取值,运用ANSYSLS-DYNA软件建立车辆-轨道耦合动力学模型,结合统计学理论,分析轮轨力统计特征值随车速、扣件刚度、簧上簧下质量与轨道质量状态等参数的变化规律。利用线路质量指数TQI管理标准作为表征线路质量状态的依据,仿真计算不同轨道质量状态下轮轨力随车速变化规律,进而提出高速铁路有砟轨道轮轨附加动荷载建议计算公式。研究结果表明:不同工况下轮轨力平均值与车辆静轮重基本相同;轮轨力标准差随车速、扣件刚度、簧上质量、簧下质量增大而增大,随轨道质量劣化而增大;当列车速度等于330 km/h且轨道质量状态较差时仿真得到的动力系数为1.99,速度大于330 km/h后大于无缝线路设计规范取值。     

线间距和阻塞比对动车组空气动力学性能影响的分析

以现场试验为主,并辅以仿真计算,针对明线交会、隧道通过、隧道交会等典型工况,研究线间距和隧道截面积对动车组空气动力学及动力学性能的影响。研究表明:明线交会时,线间距从4.4m变化到5.0m对会车压力波有一定影响,但均交会压力波远小于车体容许气动载荷;隧道通过和隧道交会时,线间距对会车压力波影响较小,影响隧道空气动力学性能的主要因素为隧道截面积或阻塞比。线间距改变对动车组动力学性能影响主要体现在车体横向加速度,轮轨力和脱轨系数等指标未见显著变化。     

中低速磁浮轨排结构动力性能试验研究

测试了中低速磁浮轨排系统在列车通过时的动力响应,获得了轨排结构在动力荷载作用下的自振频率、动应力、位移动力系数以及螺栓力。结果表明：轨排结构的竖向振动一阶频率和二阶频率分别为9.088 Hz和17.614 Hz,横向振动的一阶频率和二阶频率分别为6.426 Hz和17.614 Hz;轨排结构的横向振动与竖向振动相耦联,但并非是扭转振动所致;导轨和轨枕的应力变化与车速关系不明显;在所测车速范围内,位移动力系数随着车速的增加呈增大趋势。     

横风环境下跨海大桥列车-桥梁系统耦合振动仿真研究

基于计算流体力学及弹性体在多体系统中的耦合理论,将计算流体力学、多体系统动力学及有限元结合起来,构建横风环境中列车-桥梁系统耦合振动的仿真平台,并以平潭海峡大小练岛水道斜拉桥为研究对象开展研究。列车-桥梁系统的气动模型构建采用局部动态层网格方法,计算列车-桥梁系统在不同风速和车速下的气动荷载。基于有限元方法和多体系统动力学方法建立列车-桥梁系统多体动力学模型,以时间激励方式施加气动荷载,仿真计算双线会车时不同风速和车速工况下列车-桥梁耦合系统的动力响应。研究结果表明:(1)随着风速的增大,桥梁主跨跨中竖向位移变化很小,而跨中横向位移显著增大,跨中竖向和横向振动加速度亦明显增大。风速和车速分别在30 m/s与300 km/h以内时,桥梁的挠度和振动加速度均能满足要求。(2)横风环境下列车在桥梁上运行时,头车的动力特性最为不利。随着风速和车速的增大,车辆的动力学指标均呈增大趋势。(3)列车行至桥梁跨中时轮重减载率出现最大值,两车交会时车体横向加速度发生突变且出现最大值,部分动力学指标不满足要求。(4)双线会车时,风速在10、20、30 m/s时的临界安全车速分别为296、256、147 km/h,临界舒适车速分别为166、150、106 km/h。     

轮轨动荷载作用下全封闭声屏障的振动分析

以全封闭声屏障为研究对象,分析CRH_2型动车组、C_(80)型货车轮轨动荷载作用下声屏障的振动响应。建立金属吸声板声屏障、混凝土声屏障与32 m箱梁耦合的有限元动力分析模型,分析列车作用在箱梁上的轮轨力。通过计算得到不同列车速度下声屏障的位移和加速度响应,分析动位移、振动加速度、频谱特性和总振级的变化规律。结果表明:轮轨动荷载作用下声屏障的竖向、横向位移很小,均在2 mm以内;动车组作用下声屏障的振动加速度峰值可达5 m/s~2;金属吸声板声屏障各考察点处的竖、横向振动加速度在各车速下均较混凝土声屏障大;声屏障振动加速度级在频率40~80 Hz出现第一个峰值(较大),在频率400~800 Hz出现次峰值(较小)。     

钢轨波磨对车辆-轨道系统动力特性的影响

针对钢轨波磨对高速列车构架稳定性及轮轨接触力的影响问题,通过构建多体动力学仿真模型,以实测钢轨波磨为轨道激励,研究某型高速动车组以不同速度级通过波磨区段时车辆稳定性及轮轨接触动力特性和不同波深、波长、波深时变率对车辆系统振动响应的规律.研究结果表明:钢轨波磨磨深越大、车速越高、波深时变率越大则车辆构架稳定性越低,轮轨接...     

高速铁路减载式声屏障气动载荷特性的试验研究

减载式声屏障气动载荷特性研究是提高减载式声屏障结构可靠性的前提,具有重要的理论意义和工程价值。分别从车速、上下行、车型影响三个方面,对桥梁段和路基段减载式声屏障的气动载荷特性进行试验研究。结果表明,对桥梁段而言,减载式声屏障正应力幅值约是负应力幅值的两倍;列车距离声屏障越近,声屏障受到的气动载荷对车速的影响越敏感;在同一车速下,CRH380A型动车组作用于声屏障上的气动载荷高于CRH380AM型动车组的作用;车型对声屏障的气动载荷作用受车速的影响不大。对路基段而言,在同一车速下,列车经过路基段时声屏障的应力幅值比桥梁段要大;随着车速增加,正应力幅值的增大幅度远小于负应力幅值的增大幅度;减载式声屏障的上下行特性与声屏障高度相关;声屏障受到的气动载荷随车速的变化关系与列车和声屏障的距离关系较小。当车速低于320 km/h时,路基段减载式声屏障应力峰谷值之差随车速增加而增大的趋势较为缓慢。     

钢轨重型化对轮轨系统动力响应及动力传递的影响

运用能量法建立车辆—轨道耦合动力学模型,结合大秦线轨道结构力学参数,分别计算分析了45,50,60和75 kg/m共4种钢轨支承下轮轨系统各结构的动力响应,研究钢轨重型化对轮轨系统动力特性的影响。研究发现:钢轨重型化对车辆系统的动力响应影响较小,而对轨道结构和路基的影响显著;随着钢轨质量及抗弯刚度的增大,车体位移、车轮加速度、轮轨力、钢轨位移、扣件力、轨枕振动位移及枕下支承力降低,车体加速度、钢轨加速度先增大后减小,轨枕加速度增加。     

2万t重载列车制动与起动条件下轮轨动力特性试验研究

为探明长编组、大轴重运输条件下车辆和轨道的动力相互作用问题,基于现场试验方法,研究了2万t重载列车制动与起动条件下的轮轨动力特性,初步掌握了大轴重重载列车制动与起动条件下轮轨作用力、轨道结构位移和振动加速度的响应特征和变化规律,揭示了重载列车制动与起动状态对轮轨性能影响的差异。研究结果表明:列车制动对轮轨垂向力和轨道结构振动加速度的影响较大,其影响随制动时间的增加而逐渐减小;列车起动过程中轮轨垂向力和轨道结构振动加速度随起动时间的增加而增大;列车制动和起动对轮轨横向力及轨道结构位移的影响不大;由于列车制动加速度大于起动加速度,列车制动时的轮轨作用力、轨道结构位移和振动加速度均比起动时要大。     

高速铁路车站雨棚附属结构动力响应

为研究列车风激扰下雨棚附属结构的动力响应，以某高铁车站雨棚附属结构为研究对象，建立雨棚附属结构及高速列车仿真模型，分析高速列车以不同速度级通过时雨棚附属结构所受列车风的压力（简称“列车风压”）分布规律；基于此，研究雨棚附属结构的动力响应和疲劳寿命，确定列车风与8级环境风共同作用极限条件下采用不同连接方案时雨棚附属结构的合理设计高度。结果表明：在同等高度下，雨棚附属结构所受列车风压极值随车速的提高而增大；在相同速度级下，列车风压极值随高度的增加而减小；当高速列车以相同速度级通过雨棚时，LED屏应力极值最大，车站站牌应力极值次之，出站口指示牌应力极值最小；雨棚附属结构疲劳寿命随车速提高不断降低，在现有运营条件下雨棚附属结构服役100 a不会发生疲劳破坏，其中LED屏的疲劳寿命最短，疲劳破坏最先发生在顶部连接部位；极限条件下雨棚附属结构最优连接方案下的合理设计高度范围为5.72～10.50 m。     

柔性轮轨下轮轨波磨综合作用的振动特性研究

运用ANSYS联合SIMPACK建立基于柔性轮轨下的某型高速动车组的车辆-轨道耦合振动模型,选取典型的车轮谐波磨耗(20阶,幅值0.01～0.03mm)及钢轨波磨(波长120～150mm,幅值0.01～0.04mm)进行综合分析,对比分析4种模型在不同磨耗下的振动特性。结果表明:模态共振导致柔性体振动幅值大于刚性体振动幅值,而远离模态共振时,柔性体产生的振动幅值小于刚性体振动幅值;考虑轮轨柔性状态时,轮轨非均匀磨耗综合作用产生的轮轨力大于单独考虑轮对或钢轨磨耗时产生的轮轨力;轮轨非均匀磨耗综合作用下产生的轮轨力、轮轨振动加速度随幅值增大而增大,与速度、钢轨波磨波长呈非线性关系;轮轨非均匀磨耗综合作用下,轮对振动加速度及轮轨垂向力呈周期性包络现象。     

考虑轮轨蠕滑和轮对蛇行的车桥耦合振动分析北大核心

列车通过桥梁时,车桥系统将发生动力相互作用。选取轮对的横摆和摇头作为独立的自由度,根据轮轨接触几何学理论,给出轮轨间的相互作用力,从而建立了轮对及车辆的振动微分方程。利用结构分析的有限单元法,建立了桥梁结构振动微分方程。根据车辆和桥梁两个子系统之间力和位移的协调条件,把二者耦合起来求解。以主跨为300 m的铁路斜拉桥和DF4型内燃机车为例,利用威尔逊-θ法,模拟机车过桥的全过程,求解桥梁结构的动力响应规律。计算结果表明:桥梁结构的横向动力响应随车速的增加先增大后减小;车速对扭转振动的影响不明显,而偏载对扭转振动有显著影响。     

考虑轮轨蠕滑和轮对蛇行的车桥耦合振动分析

列车通过桥梁时,车桥系统将发生动力相互作用。选取轮对的横摆和摇头作为独立的自由度,根据轮轨接触几何学理论,给出轮轨间的相互作用力,从而建立了轮对及车辆的振动微分方程。利用结构分析的有限单元法,建立了桥梁结构振动微分方程。根据车辆和桥梁两个子系统之间力和位移的协调条件,把二者耦合起来求解。以主跨为300 m的铁路斜拉桥和DF4型内燃机车为例,利用威尔逊-θ法,模拟机车过桥的全过程,求解桥梁结构的动力响应规律。计算结果表明:桥梁结构的横向动力响应随车速的增加先增大后减小;车速对扭转振动的影响不明显,而偏载对扭转振动有显著影响。     

塔梁交汇区风场效应及对行车安全的影响

以泉州湾跨海大桥为工程背景,采用CFD(Computational Fluid Dynamics)数值仿真方法研究在横风作用下CRH3列车通过塔梁交汇区时气动荷载的变化。基于风-车-线-桥耦合振动分析方法研究车辆的动力响应,对车辆行车安全性和乘坐舒适性作出评价。结果表明：考虑塔梁交汇区风场效应对车辆的影响后,车辆气动荷载发生突变,各项动力响应均有所增大,车体加速度变化较显著;当风速达到25 m/s时,横向加速度增大34%,竖向加速度增大41%,均超过了规范限值,桥上行车需要限制车速;在分析横风作用下高速列车的动力响应时,塔梁交汇区风场效应引起的列车气动荷载变化不容忽视。     

车致振动在盖挖逆作法施工地下结构中的传播规律研究

以某铁路车站站场下地下结构盖挖逆作法施工为工程背景,首先现场测试分析了城际铁路列车通过时地下结构的振动响应,其后建立了动车组-轨道结构-地下结构系统耦合动力分析模型,仿真分析了城际铁路列车通过地下结构的全过程,系统探讨了地下结构的车致振动响应及其空间传播规律,揭示了地下结构车致振动机理。研究结果表明,地下结构车致振动随着与运营线路的距离加大而逐渐衰减,且衰减速度逐渐减小;结构动力响应随列车运行时速的提高而增大。     

高速铁路车轮扁疤载荷作用下轮轨动力响应分析

本文采用多体动力学软件建立了考虑轨道及扣件系统车辆-轨道耦合模型,分析了不同扁疤模型、不同扁疤长度、不同车速下的车轨动力响应,结果表明：(1)对于二维扁疤模型,随着车速的增加,轮轨冲击速度先增大后减小,之后基本保持不变,产生最大冲击速度的临界车辆速度约为20 km/h;(2)对于二维和三维扁疤模型,随着车轮扁疤长度的增加,轮轨冲击速度、轮轨垂向力基本呈线性增大;(3)相同扁疤长度下,随着车速的增加,轮轨垂向力及扣件垂向力先增大后减小,并且在车速10～50 km/h范围内存在峰值,该峰值与扁疤二维模型仿真结果相对应,但是在速度较高情况下(150～200 km/h)还会出现一个峰值,且此峰值为轮轨垂向力及扣件垂向力最大值出现位置;(4)在扁疤长度为70 mm时的轮轨垂向力最大值及轮轨垂向力与静轮重比值均明显较大,必须以标准、规范等文件对扁疤长度进行限制。