高速車輛脫軌非線性動力學(xué)及其動態(tài)仿真.pdf

1、我國內(nèi)陸深廣、人口眾多，高速鐵路高效、快捷運輸方式最有利于解決大規(guī)模人口流動。高速鐵路的發(fā)展促進(jìn)了國民經(jīng)濟，帶動了沿線城市間的經(jīng)貿(mào)交流，標(biāo)志著一個國家科技發(fā)展水平和自主創(chuàng)新能力。
　　高速鐵路是對常規(guī)鐵路的突破和挑戰(zhàn)，由于車輛速度的提高，輪軌間動力學(xué)問題愈顯突出，不僅影響乘客乘車舒適度，也會引發(fā)車輛脫軌的安全事故。高速車輛脫軌會造成更大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，由于高速輪軌強烈的動態(tài)及耦合作用，高速條件下脫軌與低速條件下有很大的不同，

2、目前高速動態(tài)脫軌研究還處在起步階段，研究高速車輛脫軌動力學(xué)問題迫在眉睫。本文針對高速車輛脫軌行為開展了研究，建立了適合脫軌分析的高速車輛軌道耦合動力學(xué)模型，研制了高速車輛動態(tài)脫軌仿真系統(tǒng)，研究高速車輛動態(tài)脫軌行為及其非線性動力學(xué)行為等問題。
　　脫軌是車輛極端動力學(xué)行為，在脫軌過程中輪對運動狀態(tài)十分豐富，輪軌間存在著復(fù)雜接觸狀態(tài)，需要建立適合脫軌分析的輪軌耦合精確動力學(xué)模型。在輪軌接觸幾何模型中，改進(jìn)三維輪軌跡線算法求解不同線路、

3、不同接觸狀態(tài)下輪軌接觸幾何參數(shù)；在建立輪軌蠕滑力模型中，通過分析常見蠕滑力模型不適合脫軌蠕滑力計算，基于O.Polach改進(jìn)后新模型進(jìn)行了脫軌蠕滑力分析；在輪軌法向力模型中，根據(jù)輪軌接觸區(qū)的劃分，在輪緣接觸區(qū)使用有限元軟件LS-DYNA精確計算輪軌接觸法向力，通過與Hertz理論結(jié)果對比提出法向力修正系數(shù)，修正 Hertz理論在輪緣接觸區(qū)的法向力誤差。高速車輛的動力學(xué)模型增加了車輛懸掛系統(tǒng)的非線性因素以及由于速度和蠕滑狀態(tài)引起的摩擦系數(shù)

4、變化，在此基礎(chǔ)建立了31個自由度的車輛軌道耦合動力學(xué)脫軌模型。
　　仿真是進(jìn)行脫軌研究的重要手段，基于高速車輛軌道耦合動力學(xué)模型，研制出高速車輛動態(tài)脫軌仿真系統(tǒng)，給出了仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)劃分和關(guān)鍵輪軌接觸子系統(tǒng)的計算流程。通過分析爬軌階段的特征量和輪軌碰撞跳軌的臨界速度，提出了預(yù)判脫軌發(fā)生的兩個臨界條件和脫軌判斷子系統(tǒng)的實現(xiàn)算法。在對各個仿真子系統(tǒng)研制基礎(chǔ)上，設(shè)計了高速車輛動態(tài)脫軌仿真系統(tǒng)的計算流程和功能實現(xiàn)?；诟咚佘囕v動態(tài)脫軌仿

5、真系統(tǒng)，得出了動態(tài)爬軌、跳軌的發(fā)生過程，影響脫軌的關(guān)鍵因素，提出不同參數(shù)下脫軌發(fā)生的邊界條件和車輛安全行駛條件，將脫軌事故按原因歸納為三類，給出相應(yīng)的預(yù)防措施。
　　高速車輛非線性因素在動力學(xué)中作用更加明顯，需要完善車輛系統(tǒng)的非線性動力學(xué)分析。輪對是車輛走行的關(guān)鍵部件，針對高速輪對建立了動力學(xué)方程，計算分析了輪對運動穩(wěn)定性和失穩(wěn)臨界速度，研究辨識車輛系統(tǒng)不同 Hopf分岔類型的算法，分析了脫軌過程中輪軌碰撞和軌面不平順激勵對車輛非

6、線性動力學(xué)行為的影響，繪制了車輛系統(tǒng)分岔全圖。輪對在非線性失穩(wěn)后可能導(dǎo)致跳軌脫軌，研究了非線性跳軌的特性及預(yù)測評判方法。
　　高速車輛動態(tài)脫軌仿真系統(tǒng)需要進(jìn)行驗證才能確保仿真結(jié)果的可靠性，通過測試車輛動力學(xué)仿真的曼徹斯特考題和通用車輛動力學(xué)軟件 Adams/rail，驗證了仿真系統(tǒng)對車輛一般動力學(xué)行為的計算，根據(jù)秦沈線路試驗報告，進(jìn)一步驗證仿真系統(tǒng)在直線段和曲線段模擬的車輛動力學(xué)行為。由于車輛非線性動力學(xué)試驗和脫軌試驗實施困難，通