Method for obtaining the wheel–rail contact location and its application to the normal problem calculation through ‘CONTACT’

This work presents a robust methodology for calculating inter-penetration areas between railway wheel and rail surfaces, the profiles of which are defined by a series of points. The method allows general three-dimensional displacements of the wheelset to be considered, and its characteristics make it especially suitable for dynamic simulations where the wheel–rail contact is assumed to be flexible. The technique is based on the discretisation of the geometries of the surfaces in contact, considering the wheel as a set of truncated cones and the rail as points. By means of this approach, it is possible to reduce the problem to the calculation of the intersections between cones and lines, the solution for which has a closed-form expression. The method has been used in conjunction with the CONTACT algorithm in order to solve the static normal contact problem when the lateral displacement of the wheelset, its yaw angle and the vertical force applied in the wheelset centroid are prescribed. The results consist of smooth functions when the dependent coordinates are represented as a function of the independent ones, lacking the jump discontinuities that are present when a rigid contact model is adopted. Example results are shown and assessed for the normal contact problem for different lateral and yaw positions of the wheelset on the track.     

具有模块化结构的汽车动力学仿真模型的初步研究

初步探讨了面向开发型驾驶模拟器的具有模块化结构的汽车动力学仿真模型建立方法，从而可以在此基础上进一步建立一套通用的面向结构的汽车动力学仿真程序，便捷地在开发型驾驶模拟器上实现对不同类型或同类型不同结构车辆性能的仿真。     

缓和竖曲线的反演设计研究

应用已有的车辆简化模型,借助反演设计理论,研究了缓和竖曲线的反演设计方法;探讨了依据车辆—路面耦合动力学模型的安全性和舒适性动力学评价指标,给出了缓和竖曲线反演设计的一般流程。该方法为开发宜人化路面CAD系统提供了理论依据。     

橡胶-砂颗粒混合物压缩特性与胶结退化试验

为揭示轻度胶结橡胶-砂颗粒混合物的压缩特性和胶结退化过程,通过室内一维压缩试验、剪切波速测试和扫描电镜检测,对比分析混合物的应力-应变特征和刚度演化规律,研究颗粒间胶结作用、砂掺量等对试样密度、残余应变、剪切波速和小应变剪切模量的影响,同时定性评价压缩后胶结混合物微观结构特征,探讨轻度胶结刚-柔性颗粒混合物的受力变形机制。试验结果表明：橡胶-砂颗粒混合物密度随砂掺量增加呈线性增加趋势;少量胶结物质添加可有效减小压缩变形和残余应变,胶结试样的加载压缩曲线可分为胶结控制、胶结退化和应力控制3个阶段,残余应变与砂掺量间呈指数减小关系;颗粒间胶结作用在高应力条件下退化完全,胶结试样剪切波速表现出与未胶结试样相似的变化规律;相同砂掺量与应力条件下,胶结试样具有较高的小应变剪切模量,压缩过程中小应变剪切模量的演化规律与剪切波速类似;颗粒间胶结在荷载作用下首先发挥作用并逐渐退化,当刚性颗粒（砂颗粒）含量较低时,混合物的受力介质主要为柔性颗粒（橡胶颗粒）,颗粒空间位置无显著改变;当刚性颗粒含量较高时,荷载作用下刚性颗粒会发生一定的滑移和滚动,形成相互接触的受力链以承受荷载,柔性颗粒则可阻止受力链倾覆与倒塌。     

基于车路系统的事故现场轮胎印迹强度参数化研究

为明确事故现场可视轮胎印迹强度与车辆动力学特性、轮胎橡胶磨损特征及道路表面灰度之间的关联特性,提出基于车路耦合的事故现场轮胎印迹强度参数化研究方法。通过结合动态滑动摩擦因数模型及轮胎非线性模型,建立车辆路面9 DOF非线性系统动力学模型,运用VBOX惯性测量技术验证模型的有效性。运用胎面磨损能量模型,从车路系统角度确定车辆、轮胎和路面特性对轮胎全局摩擦力及胎面磨损特性的影响。结合印迹强度特征模型提出轮胎印迹强度参数研究方法,选取不同制动、转向角工况及3组路面、胎面特性对轮胎路面接地力学特性、胎面橡胶磨损量、可视轮胎印迹特征进行仿真分析。结果表明：印迹强度仅与全局摩擦力大小有关,与轮胎路面滑移方向无关;滑移工况下胎面橡胶磨损量随着全局摩擦力和滑移速度的增大而增大,而印迹强度变化不明显;制动力矩和道路表面灰度对产生可视轮胎印迹起决定作用,转向角主要影响不规则可视轮胎印迹的产生;前轮轮胎最先出现可视印迹,且可视印迹长度和强度均高于后轮轮胎;采取可视印迹起点作为事故车辆速度判定具有一定的误差,应根据具体情况进行具体分析;研究成果能够为基于可视轮胎印迹的交通事故重建提供理论基础。     

仿人形机器人运动的自适应控制

用Danevit-Hartenberg坐标变换法推导了仿人机器人的动力学与运动学方程,建立了仿人机器人的广义雅可比矩阵.设计了自适应控制器,以保证该仿人机器人系统的渐近稳定.给出了该机器人在做高难度舞蹈动作时各关节的运动轨迹以及仿真截图.结果验证了该方法的可行性和有效性.     

轮轨冲击对构架疲劳的影响

以三轴机车转向架构架为例, 建立其轮轨冲击的运动微分方程, 通过龙格-库塔积分法得到了轮轨冲击的载荷时间历程, 分析了轮轨动态冲击对构架疲劳寿命的影响。利用有限单元法建立了轮对、构架、车体的整体有限元模型, 采用瞬态动力学分析得到构架危险点的应力时间历程, 结合材料的S-N曲线以及疲劳损伤累积准则, 进行了构架的疲劳寿命计算, 得到轮轨低接头冲击下构架疲劳寿命。分析结果表明: 构架的应力响应并不与轮轨处的激励同时达到最大, 且在激励结束后有一较长的响应过程; 轮轨冲击对构架的疲劳影响较大, 尤其对轴箱弹簧座处的侧梁下盖板的寿命影响最为显著, 在25.0m轨长的错牙接头作用下, 其疲劳寿命为5.15×10⁶km。     

缓和曲线线型对铁道车辆动力学性能的影响

分析了车辆在缓和曲线上的受力情况, 利用动力学仿真软件SIMPACK对转向架为ZK6的25t载货车辆通过3次抛物线型、4-3-4型、5次型缓和曲线时的动力学性能进行了仿真计算, 并与理论分析结果进行对比。对比结果表明: 缓和曲线线型对车辆动力学性能的影响较大, 特别是在连接点处; 3次抛物线型缓和曲线连接点处的动力学性能相对4-3-4型与5次型较差, 车体垂向加速度最大相差达到83%, 其他指标相差也在10%左右; 4-3-4型相对于5次型只是在缓和曲线上的分段点处的车体垂向加速度相差63%, 而其他动力学性能指标相差均在2%以内; 4-3-4型和5次型要体现其优势则需要增加其长度。     

内燃机曲轴的弯扭耦合非线性振动分析

以内燃机曲轴单位曲柄为研究对象,着重考虑刚度不对称和质量偏心的影响,建立了系统的非线性运动微分方程,利用数值方法对曲轴的非线性动力学特性进行了仿真.结果表明:随着质量偏心的增加,弯扭耦合区的范围增大,系统运动由周期运动变为概周期运动;随着刚度不对称系数的增加,系统出现环面倍化分岔,并转变为混沌运动;随着扭转刚度的增加,系统的运动趋于稳定.     

内轴颈高铁车轴结构设计与强度分析方法

针对高速列车的轻量化设计需求,分析了内轴颈高铁车轴独特的内支承结构与承载特点,建立了内轴颈高铁车轴受力状态和结构强度理论分析模型,提出了内轴颈高铁车轴设计极限载荷和疲劳强度的解析计算方法;在此基础上,制定了基于理论分析、有限元方法和车辆系统动力学的内轴颈高铁车轴结构设计方法,并以17 t轴重的内轴颈高铁车轴为例开展了应用研究;基于内轴颈高铁车轴受力状态的理论分析结果,确定了车轴的临界安全截面和详细尺寸方案;建立了内轴颈高铁车轴的有限元模型,评估并校核了车轴的疲劳强度;建立了轴箱内置式高速动车的刚-柔耦合系统动力学仿真分析模型,验证了车辆的动力学性能和车轴的动荷载。分析结果表明：17 t轴重的新型内轴颈高铁车轴的质量为273.6 kg,比同轴重传统外轴颈高铁车轴的质量低约30%;内轴颈高铁车轴各截面疲劳强度的安全系数均大于1.66,临界安全截面转移至轴颈与轮座之间的卸荷槽及轴颈与轴身之间的过渡圆弧区域;采用内轴颈车轴的高速动车能够以350 km·h^-1的速度稳定通过半径为5.5 km的曲线线路,主要动力学性能指标优良;在选定曲线通过工况下车轴所承受的动载荷均能被设计极限载荷包络,据此开展的车轴结构设计和强度分析是稳健的。可见,内轴颈高铁车轴在实现高速列车轻量化设计方面有显著的技术优势,且高速适应性较好,在高速列车领域的发展和应用潜力巨大。