真空管道磁悬浮列车气动特性及激波效应三维研究

近年来,真空管道列车系统以其减阻降噪、高速运行的特点成为高速列车新的研究方向。真空管道列车运行环境复杂多变,对管道内部气动特性及流场结构的研究在真空管道列车的设计和优化中尤为重要。研究基于SST k-ω湍流模型及大涡模拟方法,采用三维数值模型对阻塞比为0.15的真空管道磁悬浮列车系统在马赫数为0.490～0.980的来流条件和0.3～0.1 atm的管道压力下进行稳态和非稳态模拟,得到列车周围外部流场的气动特性,详细阐述了列车尾流激波的形成和传播。根据不同来流马赫数和压力条件将流场分为3类典型工况,并沿流动方向将流场分为5个区域分析流场特性。结果表明,随着来流马赫数从0.490增加到0.654,尾车肩部开始出现激波。随着来流马赫数进一步增加至0.817,尾流区域出现斜激波、“X”型激波结构等复杂流动现象,不同来流马赫数条件下跨声速流场中的气流马赫数分布相似,压力系数呈现梯度分布。激波与尾涡、边界层相互干涉与融合,成为尾流流场的主要结构。研究成果可为真空管道列车不同来流速度和不同真空度情况尾流激波抑制以及气动阻力优化设计提供工程指导。     

盾构施工引起土体超孔隙水压力消散问题的研究

基于Terzaghi-Rendulic二维固结理论,将土体视为饱和弹性介质,采用保角变换的方法将含有圆环(隧道)的半无限空间区域映射为圆环域,建立衬砌在不透水的情况下隧道周围土体超孔隙水压力分布的控制方程。采用分离变量法对该控制方程进行求解,得到处于饱和弹性土体中隧道周围土体超孔隙水压力消散的解析解。结合算例分析不同隧道埋深的情况下隧道顶部及水平向超孔隙水压力随时间变化的情况,以及埋深一定时隧道上方土体超孔隙水压力的变化规律。研究结果表明:隧道埋深越深,周围土体中超孔隙水压力的消散速度越慢;在开始阶段超孔隙水压力消散速度较快,随着时间的推移消散速度逐渐减慢;隧道周围土体水平向超孔隙水压力的消散速度要比竖向的消散速度快;隧道上方土体距离隧道越近,超孔隙水压力的消散速度越快。     

运动边界对冰雪风洞试验段流场特性影响研究

轨道列车转向架区域的积雪结冰现象,是关乎列车运行稳定以及行车安全的关键问题。为了解决转向架区域的积雪结冰问题,研建列车转向架积雪结冰风洞以研究原始比例模型转向架区域流场特性。基于SST k-ω的IDDES湍流模型,分析不同运动边界条件下风洞试验段气流流动特性,探索积雪结冰风洞在现有运动边界条件下的流场模拟适应性与差距。通过网格无关性验证和流场校测,验证数值方法能够满足积雪结冰风洞流场的模拟。研究结果表明：静止地面和静止轮对无法近似模拟真实环境下运动地面和旋转轮对的边界条件的流场特性,轨面以上的空间平均速度最高偏大5倍,静止地面和旋转轮对的风洞实际边界与真实边界更接近;静止地面和静止轮对下转向架后侧的空间压强平均负压高于其他工况,车体后端板表面和转向架表面平均负压强偏差较大,静止地面和旋转轮对的表面负压平均偏差9%,转向架轮对表面压强偏差15%;不同工况下的转向架区域的湍流度差别不大,转向架前侧区域的湍流度在静止地面和轮对下整体偏大。综上所述,在不同试验段运动边界条件下,现有积雪结冰风洞中静止地面和旋转轮对边界条件能较好地模拟实际运行状态下的转向架区域流场特性,为后续试验研究转向架区域的...     

不同断面悬浮隧道绕流特性分析

为研究水中悬浮隧道在均匀流作用下的荷载分布规律,采用大涡模拟的数值方法计算5种不同断面形式悬浮隧道的绕流场,比较不同来流速度、宽高比、来流入射角对悬浮隧道升阻力系数和周围压力分布的影响。结果表明:随着来流速度增加,结构表面压强呈平方增长,钝角断面(六边形)升力系数略有增加,阻力系数略有减小,无钝角断面(椭圆形)升阻力系数均减小,变化幅值较小;随断面宽高比增加,矩形升阻力系数先减小后增加,椭圆升阻力系数均减小;随均匀流倾角增大,椭圆断面升力系数增加,阻力系数减小,周向压力分布不再对称于结构水平轴。     

水中悬浮隧道合理截面数值模拟分析

为研究悬浮隧道的合理截面形式,采用大涡模拟法,按日本喷火湾海况条件分析了圆形、椭圆形、耳形、六边形和矩形5种截面悬浮隧道周向稳态压强分布、所受到的流体升力和阻力;以圆形断面为例模拟分析不同来流速度时悬浮隧道周围的水动力特性,以耳形断面为例分析不同迎流面宽度时悬浮隧道周围的水动力特性.模拟结果表明:耳形截面形式悬浮隧道周围压力大,稳定性好,所受升力和阻力较小,是最合理的截面形式;随来流速度的增加,悬浮隧道周围压力显著增加,升力和阻力急剧增加;迎流面宽度对悬浮隧道周围压力场分布影响很小,对结构升力和阻力影响明显.     

基于COMSOL的单侧计轴传感器磁场分析

通过建立单侧计轴传感器数学模型,推导传感器磁场偏微分方程,解决磁场分界面边值问题,即在给定求解区域和边界条件下,根据已知物理规律,求解磁位随坐标的变化规律;研究车轮对励磁线圈周围磁场分布及感应线圈上感应电动势的影响,建立传感器三维模型,利用有限元软件COMSOL分析计轴传感器磁场分布情况,为传感器电磁参数的设定提供指导。     

高速车辆运行过程中轮轨接触点的测试研究

轮轨接触点对深化分析轮对运行动态行为、安全性、轮轨接触状态及作用力等起着关键的作用。基于传统车轮辐板应力测量车轮垂向力与横向力方法,考虑车轮磨耗影响,提出一种提高识别轮轨接触点准确度的改进测试方法。通过FEM程序ANSYS软件分析沿车轮踏面不同位置分别作用垂向、横向和纵向力时,车轮辐板表面的应力分布状态。由计算结果可知,沿辐板孔横向表面的径向应力分布随作用载荷位置(接触点)呈现特定的变化规律,为测试轮轨接触点位置提供了可行性。研究表明,在车轮辐板特定区域存在着对横向力和纵向力不敏感的应力区域,可消除由横向力和纵向力引起的干扰影响。根据计算和试验结果,找出车轮上应变片识别精度最佳的布置位置、方向和测试组桥方式,针对在线测试,完善测量桥路的可靠性和抗干扰性,使测试精度更高,接触点位置的确定更准确。分析因车轮踏面磨耗与镟修导致对车轮辐板表面应力分布产生影响的问题,推导出测试修正矩阵,扩展测量识别接触点的适用范围。完成测试轮对的研制,进行线路测试,获取了多种运行条件下接触点的测试结果。     

横风下列车平顺化对气动特性的影响

由于横风下运行的高速列车气动特性恶化,面临侧翻的风险,并且转向架和风挡对高速列车周围的流场及气动特性影响较大,会加剧横风下的不稳定性,采用改进的延迟分离涡模拟(IDDES)方法研究横风作用下转向架和风挡的平顺化设计对高速列车气动特性的影响。研究结果表明,在横风下平顺化列车模型由于结构简单,气动阻力更小,同时由于背风侧大尺度涡流引起的负表面压力,侧向力更大,而在原始模型中转向架减弱了大尺度涡流对高速列车背风面表面压力的影响。转向架在列车底部产生了大量的旋涡,是原始模型和平顺化模型中流场出现差异的主要原因,风挡结构比转向架简单,对流场的扰动效果弱,但风挡表面压力对气动阻力会产生较大影响。在频谱分析中,由于原始模型中转向架引起的扰动,高速列车气动力震荡的幅值更大。转向架产生的大量小尺度涡与大尺度涡相互作用并削弱了大尺度涡对高速列车的影响,从而导致原始模型中气动力的主频率消失。此外,转向架产生的小尺度涡加剧了流动的混乱程度,这些涡在横风作用下被推离车体,影响测点处列车风分布,在阵风分析中导致各次运行间差异较大。原始模型中列车风的峰值出现在车头部分的轨道高度处,会对轨道旁的设备和施工人员产生威胁...     

流场分析在地铁车辆踏面制动温度场仿真中的应用

针对地铁车辆踏面制动,建立了车轮车轴的轴对称简化几何模型,并且根据温度梯度的分布特点划分了疏密不同的有限元网格。根据车辆的加速启动、匀速运行、减速制动和进站停止4种不同运行状态,建立了车轮车轴的热边界条件。采用均布热源法计算制动过程中输入踏面摩擦接触区的热流密度。利用CFD软件对车辆不同运行速度下的车轮车轴附近流场进行稳态计算,进而获得不同速度下车轮车轴各表面对流换热系数的平均值,并利用最小二乘法拟合出平均对流换热系数与速度的函数关系。最后针对国内某一地铁线路,计算了连续两次紧急制动和经过9个车站的模拟运营制动(纯空气)两种工况下的车轮车轴温度场,得到了最高温度点的温度值随时间的变化曲线。     

考虑黏结滑移关系的连续道床板伸缩刚度计算方法

连续道床板在降温和自身收缩情况下容易出现裂缝,从而造成伸缩刚度的折减,不同裂缝间距时的伸缩刚度差别很大,而伸缩刚度又是连续道床板温度力计算的重要参数。考虑钢筋与混凝土间的黏结滑移关系,建立一种连续道床板伸缩刚度计算方法,对不同裂缝间距情况下的钢筋和混凝土应力、黏结阻力以及伸缩刚度进行研究,对黏结阻力型式、混凝土强度等级和配筋率对伸缩刚度的影响进行参数研究。研究结果表明:即使在一定的裂缝间距情况下,伸缩刚度也并非一定值,而是随荷载增大而逐渐降低的变量,混凝土强度等级对伸缩刚度折减的影响较小,配筋率影响较大,检算过程中可根据裂缝间距增加一定的边界条件即可得到不同温度条件下的应力与刚度分布。     

轮轨作用力测试方法的研究进展

轮轨作用力是判定机车车辆动力学性能的基本要素,车辆的安全性与运行品质可以通过轮轨作用力的大小来反映。论述轮轨作用力测试方法的传统理论和国内外相关方面的研究进展。概述轮轨力测试方法的分类,地面测试有剪力法和轨底弯矩差法等方法,车载测试有直接测试和间接测试方法。随着技术不断发展和进步,出现一些新的轮轨力测试方法和测试装置,同时提出更加准确高效的新方法。未来轮轨作用力的地面测试方法会向着连续测试的方向发展,而车载测试方法则会随着传感器等技术的进步向更精确、更智能的方向发展,轮轨力测试装置向适应性更强的方向发展。     

重载轮轨黏着特性的数值分析

基于ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian)有限元建立稳态轮轨滚动接触的三维有限元模型.利用该模型计算和分析重载轮轨滚动接触的黏着特性,并研究不同速度等级对重载轮轨黏着蠕滑特性的影响.用该模型对重载大功率机车车轮在轨道上从制动、惰行到牵引过程进行计算,得到了这一过程中轮轨接触状态的变化规律和黏着特性曲线.在重载大功率机车从制动、惰行到牵引的过程中,轮轨纵向摩擦力由反方向饱和状态逐渐转变成牵引方向饱和状态,而轮轨横向摩擦力始终呈反对称性分布,其最大值位置先是逐渐靠近接触斑中心,然后又逐渐远离之;摩擦力矢量呈旋转分布,其方向从与运动方向相反逐渐变为与运动方向相同,其旋转中心从轮缘附近逐渐进入接触斑,随后又逐渐向轮缘一侧移动;当轮轨纵向蠕滑率较小(≤0.003)时,黏着力随纵向蠕滑率的增加而近似线性增加,但运行速度对此影响不大;进入大蠕滑率(＞0.003)区域后,黏着力随蠕滑率的增加而减小,并且速度越高,黏着力降低得越快.     

隧道衬砌水压力荷载及内力研究

通过轴对称解析计算和有限元数值计算隧道在不同衬砌渗透系数、不同注浆圈厚度、不同衬砌厚度条件下,衬砌背后的水压力、流量及衬砌内力,分析影响水压力的因素和水压力对衬砌内力的影响,轴对称解析计算和有限元数值计算结果显示水压力和流量十分接近。衬砌不透水时,水压力荷载系数不折减;在控制排水的条件下,调整衬砌渗透系数、注浆半径和衬砌厚度可以改变水压力、流量和衬砌内力。设计时正算水荷载,施工时通过监测流量反算水荷载,对水荷载设计进行检验和修正。     

CRH2010A综合检测车测力车轮与钢轨滚动接触弹塑性分析

运用非线性有限元分析软件ABAQUS,考虑通过直线、曲线线路和道岔3种工况,建立CRH2010A综合检测车的测力车轮与钢轨的三维滚动接触有限元模型,进行不同工况下测力车轮与钢轨的滚动接触特性及车轮辐板和轴毂的受力分析。结果表明:测力车轮的滚动接触特性与动车车轮相似;通过直线线路且轮对横移量为8mm时,产生轮缘效应,车轮磨损加剧;通过曲线线路时,左侧车轮与钢轨出现两点接触中心区;通过道岔时,左侧车轮与长心轨均发生塑性变形,车轮和钢轨的磨耗加剧;轴毂的过盈连接对轮轨接触特性的影响,远小于其对轴毂连接区域和辐板加工区域应力的影响;在这3种工况下测力车轮均满足静强度要求。     

环境条件对轮轨黏着特性影响的试验研究

利用JD-1轮轨模拟试验机研究新与旧模拟轮、新与生锈模拟轮和冲角等参数对轮轨黏着系数的影响.结果表明:干态和有水工况下,随着冲角的增加,轮轨纵向黏着系数均有所下降,而横向黏着系数均呈现上升趋势.对比干态和有水工况,发现有水下工况纵向黏着系数下降较多,下降了50%～60%,但横向黏着系数下降不明显.新模拟轮与模拟轨转动产...     

油介质条件下轮轨黏着特性的试验研究

利用JD—1轮轨模拟试验机研究轮轨受污油、污油水混合物和污油水砂子混合物3种油介质污染工况下,不同轴重和车轮速度对轮轨黏着系数的影响。结果表明:当车速为90km·h-1时,污油和污油水混合物工况时的轮轨蠕滑特性相差不大(加水之后黏着系数减小);污油和污油水混合物工况下21和23t轴重时轮轨黏着系数相差较小,而25t轴重时的黏着系数明显比21和23t轴重时的大,但轮轨表面均未出现严重的磨损;在污油水砂子混合物工况下,轮轨黏着系数显著提高,但同时大大加重了轮轨表面伤损;当轮轨受到污油和污油水污染时,轮轨黏着系数均随着车速的提高而减小。     

悬挂式单轨车辆走行轮失效对曲线通过及运行平稳性影响的仿真分析

悬挂式单轨车辆走行轮在车辆运行中起到承载和传力的重要作用,其走行轮失效对悬挂式单轨车辆运行性能有重大影响。通过多刚体动力学理论建立悬挂式单轨车轨耦合动力学模型,仿真分析了不同工况下走行轮失效对单轨车辆曲线通过及运行平稳性的影响。仿真结果表明:空载状态下走行轮失效的悬挂式单轨车辆在曲线半径100 m的线路上限速为35 km/h,而满载状态下走行轮失效的车辆一直处于不安全状态,需要尽快行驶到就近站点疏散乘客;同侧走行轮失效对单轨车辆的影响趋势基本一致;在相同行车速度下,走行轮失效时竖向平稳性指标出现了部分数值超过3.0的情况,说明走行轮失效时车辆的运行平稳性会变差。仿真研究结果可为走行轮失效的悬挂式单轨车辆运行提供参考。     

考虑桩土相互作用的抗滑桩临界桩间距研究

在考虑桩土相互作用的基础上,对确定合理桩间距的土拱的形成过程和成拱条件进行分析。根据桩受到的侧摩阻力等于桩间滑坡推力的平衡条件,提出同时存在桩侧土拱和桩后土拱,其拱厚为桩侧实际拱厚和桩后有效拱厚之和,在此基础上建立滑坡推力与抗滑桩相互作用的土拱受力模型,推导出临界桩间距的计算公式,最后通过算例进行验证,计算结果较为合理。研究结果表明：同时考虑桩侧土拱和桩后土拱比较合理。     

机车牵引状态下曲线通过导向特性研究

考虑车轮与钢轨的运动特性及轮周牵引力,推导出机车在牵引状态下通过曲线时的轮轨蠕滑率计算公式,并对曲线通过时的轮轨横向动态相互作用特性进行仿真计算与分析;同时研究牵引力大小对转向架导向性能的影响,对比分析了机车牵引与惰行状态下的导向性能。理论仿真分析结果表明:牵引力可以改变轮轨纵向蠕滑力的大小和方向,与惰行工况相比,牵引状态下的轮对导向力矩有所减小,轮对的自导向能力减弱,不利于曲线通过;提高牵引力,总轮轨蠕滑率将很快达到饱和状态,牵引力越大,轮轨纵向蠕滑力越大,两侧纵向蠕滑力差值越小,机车轮对自导向能力越差,轮对冲角增大,而轮轨横向蠕滑力越小;当牵引力增加到一定程度时,总轮轨蠕滑率超过极限状态,曲线通过时两侧轮径差太小而出现打滑和空转的现象。     

铁路货车制动梁对车轮磨耗影响的调查分析

铁路货车提速后车轮磨耗加剧,把握磨耗规律,采取有效减磨措施是亟待解决的课题.通过对铁路货车中拉杆式制动梁在缓解状态的理论受力分析及制动状态横移的调研统计,发现制动时固定杠杆与游动杠杆侧制动梁反向横移,1、4、6、7位轮瓦磨耗位置贴近轮缘;通过车轮磨耗调研发现,车轮踏面先于轮缘磨耗,且支点侧的2、4、6、8位车轮磨耗量偏...