高速列車-軌道三維剛柔耦合動力學研究.pdf

1、經過近10年的快速發(fā)展，我國已建成世界上規(guī)模最大的高速鐵路網，因此確保高速列車在長期服役過程中的安全平穩(wěn)運行將是我國高速鐵路運營中所面臨的重大挑戰(zhàn)。高速列車的安全平穩(wěn)運行取決于列車-軌道耦合系統(tǒng)的動態(tài)特性和運行狀態(tài)下的行為，因而廣泛而深入地開展高速列車-軌道大系統(tǒng)耦合動力學研究，是我國高速鐵路技術得以持續(xù)發(fā)展并保持世界領先地位的基本前提條件。
　　高速列車-軌道耦合動力學研究是一個十分復雜的課題，其理論建模和數(shù)值仿真的研究涉及車輛

2、工程、力學、數(shù)學等眾多學科，當前的列車-軌道耦合動力學理論還不能很好地模擬和解釋我國高速列車運營中出現(xiàn)的諸多動力學現(xiàn)象及其機理，如高速列車系統(tǒng)柔性振動引發(fā)的車體異常抖動、車輪高階多邊形磨耗、轉向架懸掛部件的疲勞破壞等。因此，復雜運行狀態(tài)下高速列車-軌道剛柔耦合動力學研究是我國鐵路領域急需開展的基礎研究課題。
　　本文針對高速列車-軌道三維剛柔耦合動力學建模及我國高速列車運營中出現(xiàn)的典型動力學問題，開展了以下幾方面的研究工作:

3、>　　(1)對列車-軌道剛柔耦合動力學的研究歷史和現(xiàn)狀進行了詳細論述，明確了高速列車-軌道三維剛柔耦合動力學研究的意義，探討了目前高速列車-軌道剛柔耦合動力學研究存在的問題及今后可能的發(fā)展方向。
　　(2)建立了較為完整的高速列車-軌道三維剛柔耦合動力學理論分析模型，并開發(fā)了相應的數(shù)值仿真程序。整個理論分析模型由列車系統(tǒng)動力學模型、軌道系統(tǒng)動力學模型、輪軌空間動態(tài)接觸模型、列車/軌道耦合界面激勵模型四個子模型組成。該模型能夠模擬勻

4、速及變速狀態(tài)下高速列車與軌道的剛柔耦合振動行為，突破了傳統(tǒng)列車-軌道耦合動力學模型不能模擬列車變速狀態(tài)下系統(tǒng)動力性能的局限性，拓展了現(xiàn)有列車-軌道耦合動力學的頻率分析范圍。
　　(3)建立了基于多剛體理論的高速列車縱/橫/垂三維耦合動力學模型和分析頻率較寬的高速列車剛柔耦合動力學模型。多剛體模型中，每節(jié)車輛簡化為42自由度的質量-彈簧-阻尼系統(tǒng);剛柔耦合動力學模型中，每節(jié)車輛的車體及轉向架構架采用柔性體建模，借助于有限元模態(tài)分析技

5、術和模態(tài)疊加法對車體和構架的柔性振動響應進行求解，實現(xiàn)了1000 Hz以內構架柔性振動及50 Hz以內車體柔性振動行為的模擬;列車模型考慮了車輛一二系懸掛部件和車間連接部件的時頻非線性特性。
　　(4)建立了較完善的高速有砟及無砟板式軌道動力學時域分析模型。模型中有砟軌道為鋼軌-軌枕-道床三層結構，而板式軌道則為鋼軌-軌道板兩層結構。針對不同的動力學研究需求，建立了兩種鋼軌動力學模型:基于Timoshenko梁的離散支承連續(xù)梁模型

6、及基于空間梁單元的有限元模型，兩種鋼軌模型的振動響應求解均采用模態(tài)疊加法;軌枕模型考慮其垂向彎曲振動、縱向和橫向平動及搖頭運動，垂向彎曲變形采用兩端自由的Euler梁模擬;軌道板采用三維實體有限元建模，采用有限元模態(tài)分析技術和模態(tài)疊加方法求解軌道板的振動響應;有砟軌道中的碎石道床離散為集中質量塊，只考慮其垂向振動，道床塊之間由剪切彈簧-阻尼單元相連。扣件系統(tǒng)及軌道板間的連接采用線性的彈簧-阻尼單元模擬，有砟軌道道床及軌道板下支撐結構均簡

7、化為均勻一致分布的粘柔性單元，忽略橋梁及路基振動的影響。
　　(5)改進了高速輪軌三維滾動接觸計算模型。輪軌空間接觸幾何關系采用跡線法和最小距離法求解，輪軌法向力采用非線性Hertz接觸理論進行計算，輪軌蠕滑力的求解則基于沈氏理論，其中輪軌蠕滑率的計算考慮了車輪向前滾動和鋼軌縱向、橫向、垂向及扭轉運動的影響。
　　(6)提出了移動鋼軌模態(tài)模型和軌道長度自適應模型兩種新型的列車/軌道界面耦合計算模型。移動鋼軌模態(tài)模型中，鋼軌采

8、用Timoshenko梁模擬，鋼軌的模態(tài)分析在其幾何坐標系中進行，而鋼軌動態(tài)響應的求解則基于全局慣性坐標系，軌下支撐結構的計算長度根據(jù)移動列車坐標系在全局坐標系中的位置而自動調整;軌道長度自適應模型中，鋼軌采用有限元方法建模;軌道結構各部件的計算長度相互協(xié)調并根據(jù)移動列車坐標系在全局坐標系中的位置而自動調整。
　　基于建立的高速列車-軌道三維剛柔耦合動力學模型，主要開展了以下三方面研究工作:
　?、傧到y(tǒng)研究了變速狀態(tài)下高速列

9、車的動態(tài)響應特征;再現(xiàn)了低黏著情況下車輪牽引打滑和制動抱死條件下列車的縱向動力學行為;分析了牽引制動載荷對高速列車運行穩(wěn)定性、安全性及平穩(wěn)性的影響規(guī)律;初步調查了變速移動列車作用下軌道結構的動態(tài)響應特征。
　?、谏钊胝{查了車體柔性振動對高速列車運行平穩(wěn)性、乘坐舒適性及運行安全性的影響規(guī)律，并開展了基于乘坐舒適性的軌道不平順敏感波長研究;詳細分析了構架柔性振動對其振動響應及高速列車運行安全性及平穩(wěn)性的影響規(guī)律，并初步探討了高速列車車