高速列車(chē)-軌道三維剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)研究.pdf

1、經(jīng)過(guò)近10年的快速發(fā)展，我國(guó)已建成世界上規(guī)模最大的高速鐵路網(wǎng)，因此確保高速列車(chē)在長(zhǎng)期服役過(guò)程中的安全平穩(wěn)運(yùn)行將是我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)中所面臨的重大挑戰(zhàn)。高速列車(chē)的安全平穩(wěn)運(yùn)行取決于列車(chē)-軌道耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和運(yùn)行狀態(tài)下的行為，因而廣泛而深入地開(kāi)展高速列車(chē)-軌道大系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)研究，是我國(guó)高速鐵路技術(shù)得以持續(xù)發(fā)展并保持世界領(lǐng)先地位的基本前提條件。
　　高速列車(chē)-軌道耦合動(dòng)力學(xué)研究是一個(gè)十分復(fù)雜的課題，其理論建模和數(shù)值仿真的研究涉及車(chē)輛

2、工程、力學(xué)、數(shù)學(xué)等眾多學(xué)科，當(dāng)前的列車(chē)-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論還不能很好地模擬和解釋我國(guó)高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的諸多動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象及其機(jī)理，如高速列車(chē)系統(tǒng)柔性振動(dòng)引發(fā)的車(chē)體異常抖動(dòng)、車(chē)輪高階多邊形磨耗、轉(zhuǎn)向架懸掛部件的疲勞破壞等。因此，復(fù)雜運(yùn)行狀態(tài)下高速列車(chē)-軌道剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)研究是我國(guó)鐵路領(lǐng)域急需開(kāi)展的基礎(chǔ)研究課題。
　　本文針對(duì)高速列車(chē)-軌道三維剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模及我國(guó)高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的典型動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，開(kāi)展了以下幾方面的研究工作:

3、>　　(1)對(duì)列車(chē)-軌道剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)的研究歷史和現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)論述，明確了高速列車(chē)-軌道三維剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)研究的意義，探討了目前高速列車(chē)-軌道剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)研究存在的問(wèn)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(chē)-軌道三維剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)理論分析模型，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的數(shù)值仿真程序。整個(gè)理論分析模型由列車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、輪軌空間動(dòng)態(tài)接觸模型、列車(chē)/軌道耦合界面激勵(lì)模型四個(gè)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(chē)與軌道的剛?cè)狁詈险駝?dòng)行為，突破了傳統(tǒng)列車(chē)-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型不能模擬列車(chē)變速狀態(tài)下系統(tǒng)動(dòng)力性能的局限性，拓展了現(xiàn)有列車(chē)-軌道耦合動(dòng)力學(xué)的頻率分析范圍。
　　(3)建立了基于多剛體理論的高速列車(chē)縱/橫/垂三維耦合動(dòng)力學(xué)模型和分析頻率較寬的高速列車(chē)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。多剛體模型中，每節(jié)車(chē)輛簡(jiǎn)化為42自由度的質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng);剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型中，每節(jié)車(chē)輛的車(chē)體及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用柔性體建模，借助于有限元模態(tài)分析技

5、術(shù)和模態(tài)疊加法對(duì)車(chē)體和構(gòu)架的柔性振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)了1000 Hz以?xún)?nèi)構(gòu)架柔性振動(dòng)及50 Hz以?xún)?nèi)車(chē)體柔性振動(dòng)行為的模擬;列車(chē)模型考慮了車(chē)輛一二系懸掛部件和車(chē)間連接部件的時(shí)頻非線性特性。
　　(4)建立了較完善的高速有砟及無(wú)砟板式軌道動(dòng)力學(xué)時(shí)域分析模型。模型中有砟軌道為鋼軌-軌枕-道床三層結(jié)構(gòu)，而板式軌道則為鋼軌-軌道板兩層結(jié)構(gòu)。針對(duì)不同的動(dòng)力學(xué)研究需求，建立了兩種鋼軌動(dòng)力學(xué)模型:基于Timoshenko梁的離散支承連續(xù)梁模型

6、及基于空間梁?jiǎn)卧挠邢拊Ｐ?，兩種鋼軌模型的振動(dòng)響應(yīng)求解均采用模態(tài)疊加法;軌枕模型考慮其垂向彎曲振動(dòng)、縱向和橫向平動(dòng)及搖頭運(yùn)動(dòng)，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(shí)體有限元建模，采用有限元模態(tài)分析技術(shù)和模態(tài)疊加方法求解軌道板的振動(dòng)響應(yīng);有砟軌道中的碎石道床離散為集中質(zhì)量塊，只考慮其垂向振動(dòng)，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(jié)構(gòu)均簡(jiǎn)

7、化為均勻一致分布的粘柔性單元，忽略橋梁及路基振動(dòng)的影響。
　　(5)改進(jìn)了高速輪軌三維滾動(dòng)接觸計(jì)算模型。輪軌空間接觸幾何關(guān)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(jìn)行計(jì)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(jì)算考慮了車(chē)輪向前滾動(dòng)和鋼軌縱向、橫向、垂向及扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響。
　　(6)提出了移動(dòng)鋼軌模態(tài)模型和軌道長(zhǎng)度自適應(yīng)模型兩種新型的列車(chē)/軌道界面耦合計(jì)算模型。移動(dòng)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(biāo)系中進(jìn)行，而鋼軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)的求解則基于全局慣性坐標(biāo)系，軌下支撐結(jié)構(gòu)的計(jì)算長(zhǎng)度根據(jù)移動(dòng)列車(chē)坐標(biāo)系在全局坐標(biāo)系中的位置而自動(dòng)調(diào)整;軌道長(zhǎng)度自適應(yīng)模型中，鋼軌采用有限元方法建模;軌道結(jié)構(gòu)各部件的計(jì)算長(zhǎng)度相互協(xié)調(diào)并根據(jù)移動(dòng)列車(chē)坐標(biāo)系在全局坐標(biāo)系中的位置而自動(dòng)調(diào)整。
　　基于建立的高速列車(chē)-軌道三維剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，主要開(kāi)展了以下三方面研究工作:
　　①系統(tǒng)研究了變速狀態(tài)下高速列

9、車(chē)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征;再現(xiàn)了低黏著情況下車(chē)輪牽引打滑和制動(dòng)抱死條件下列車(chē)的縱向動(dòng)力學(xué)行為;分析了牽引制動(dòng)載荷對(duì)高速列車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性及平穩(wěn)性的影響規(guī)律;初步調(diào)查了變速移動(dòng)列車(chē)作用下軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征。
　　②深入調(diào)查了車(chē)體柔性振動(dòng)對(duì)高速列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性、乘坐舒適性及運(yùn)行安全性的影響規(guī)律，并開(kāi)展了基于乘坐舒適性的軌道不平順敏感波長(zhǎng)研究;詳細(xì)分析了構(gòu)架柔性振動(dòng)對(duì)其振動(dòng)響應(yīng)及高速列車(chē)運(yùn)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(chē)車(chē)