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(1.石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043)

高速列車剛柔耦合動力學仿真分析

趙義偉1，劉永強1，廖英英2

(1.石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043)

研究了高速列車彈性車體對整車動力學性能的影響。為分析彈性車體對列車運行的影響，首先建立了車體有限元模型，計算了車體的模態(tài)，并生成模態(tài)中性文件將其導入VI-Rail軟件，然后將柔性車體和前、后轉向架子系統(tǒng)組裝成剛柔耦合整車模型，分析了其對運動穩(wěn)定性、運行平穩(wěn)性、運行安全性的影響。通過與剛性車體動力學模型仿真結果的對比表明：彈性車體模型會使整車各項動力學性能指標略大于剛性車體模型。

高速列車；剛柔耦合；VI-Rail；動力學仿真

0 引言

一直以來，人們在對列車進行動力學仿真分析時，傳統(tǒng)的方法是將車體等大型構件考慮成剛體，但是，隨著機車車輛運行速度提高，作用于機車車輛與軌道結構之間的動態(tài)作用力增大，使系統(tǒng)動力學性態(tài)愈來愈復雜，這些現象是由于部件的大范圍運動與構件的彈性變形耦合引起的，為更好地分析部件的動力學特性，更貼合實際，有必要從柔性體的角度來研究。在車輛動力學仿真研究中,剛柔耦合是具有廣泛應用前景的發(fā)展方向之一。文獻[1-4]建立了剛柔耦合模型并進行了動力學仿真，與剛性車進行了對比。文獻[5-7]將剛性車體柔性化并進行模態(tài)分析，了解了車體固有頻率及振型。文獻[8]建立了柔性體，并分析了其對列車運行品質的影響。本文先建立柔性車體，并了解其振動特征，然后建立剛柔耦合模型，與剛性體對比分析其對動力學性能的影響。

1 車體模態(tài)分析

首先用Solidworks軟件，建立了車體三維模型，然后將車體模型以中性文件的格式保存并導入ANSYS/workbench中，并賦予材料屬性，生成網格，對其進行自由狀態(tài)下的模態(tài)分析。對車體模態(tài)進行分析時取前20 階模態(tài)，前6階模態(tài)為剛體模態(tài)，不予考慮，可將其略去。表1為車體前7～15階模態(tài)計算結果，其中7～10階振型如圖1所示。

表1 柔性車體7～15階模態(tài)

圖1 車體7～10階模態(tài)振型圖

2 剛柔耦合車輛模型的建立

在有限元軟件中生成車體的MNF模態(tài)中性文件，節(jié)點數為257 218個，并將其導入VI-Rail軟件中建立車體模板，并生成子系統(tǒng)，如圖2所示。參照CRH2系動車組參數建立轉向架模板，生成前、后轉向架子系統(tǒng)，如圖3所示。

車輛模型懸掛系統(tǒng)的主要參數如表2所示。

圖2 柔性車體模板

圖3 轉向架模板

表2 懸掛系統(tǒng)主要參數

最后，將車體和前、后轉向架子系統(tǒng)組裝成剛柔耦合整車模型，如圖4所示。

圖4 剛柔耦合模型

3 動力學仿真分析對比

對剛柔耦合車輛模型進行動力學仿真分析，將仿真出的各項指標與車體為剛性的車輛模型仿真出的進行對比。在進行運動穩(wěn)定性分析時，采用直線軌道；而進行運行平穩(wěn)性分析和安全性分析時則采用曲線軌道。車輛首先經過950 m的直線區(qū)間，240 m的緩和曲線區(qū)間，然后在曲線半徑為7 000 m，軌道超高為150 mm的曲線上行駛1 440 m，接著進入260 m的緩和曲線區(qū)間，最后在直線區(qū)間段行駛至4 000 m處。軌道不平順激勵采用德國低干擾譜。

3.1運動穩(wěn)定性分析

列車在某一速度范圍內運行，車體、轉向架構架、輪對的蛇行運動各振型的振幅，隨著時間的延續(xù)其幅值會不斷地衰減，而當列車運行速度超過某一臨界數值時，車輛將產生一種不穩(wěn)定的蛇行運動，其表現形式為它們的振幅會隨著時間的延續(xù)而不斷擴大，不會衰減，這種情況即為失穩(wěn)，因此，將過渡到不穩(wěn)定運動時的速度稱為車輛的臨界速度。

在進行鐵道車輛運動穩(wěn)定性分析[9]時，最直接的評價指標是列車的臨界速度。仿真曲線如圖5、圖6所示。

圖5 剛性整車模型的輪對模移量

圖6 剛柔耦合整車模型的輪對橫移量

由圖5和圖6可以看出，車體為剛性車體時的車輛臨界速度為289.8 m/s，車體為柔性車體時的臨界速度為288.5 m/s，比前者略低。之所以會出現這種現象，是由于車體結構的彈性變形使得車輛在運行中橫向運動的收斂性變差所致。

3.2運行平穩(wěn)性分析

圖7 車體橫向加速度

評價車輛運行平穩(wěn)性最直接的指標就是車體加速度。此外，為了更準確地進行評價，不僅要考慮加速度的大小，還要考慮加速度振動頻率的影響。當采用考慮頻率的車體加速度來評定時，各國有著不同的評價指標?，F采用在國際上應用比較廣泛的Sperling指標，且只考慮了車體橫向的振動加速度。仿真速度為220 km/h、240 km/h、260 km/h、280 km/h、300 km/h共5個速度等級。兩種車體橫向加速度對比曲線如圖7所示。計算出的平穩(wěn)性指標如表3所示。

表3 橫向平穩(wěn)性指標Wy

根據表格和曲線可知，剛柔耦合模型仿真出的橫向加速度及Wy略低于剛性車體模型，其中在240 km/h時的橫向加速度及Wy略高于剛性車體模型，原因可能是與在此速度等級下彈性車體的振動變形有關。

3.3運行安全性分析

對剛性體和柔性體模型進行安全性仿真，分析對比了5個速度等級下的脫軌系數、輪重減載率、輪軌垂向力、輪軸橫向力這4項評價指標[10]的最大值。如圖8～圖11所示。

由曲線圖可知，通過5個不同速度等級的動力學仿真對比，柔性體在220 km/h和300 km/h時的脫軌系數要略小于剛性體，其余速度上大于剛性體；柔性體的輪重減載率要比剛性體大；在輪軌垂向力方面，除了速度為240 km/h時剛性體比柔性體大，其余速度上剛性體的要?。惠嗇S橫向力方面，柔性體的比剛性體的略大?？偟膩碚f，柔性體的安全性要低于剛性體的安全性。

圖8 脫軌系數最大值

圖9 輪重減載率最大值

圖10 輪軌垂向力最大值

圖11 輪軸橫向力最大值

4 結論

將鐵道車輛中的一些部件考慮成彈性體并與其它部件組裝在一起而組成剛柔耦合的動力學分析模型是今后動力學分析的方向。對此進行探索研究，在同樣的工況條件下,將車輛模型中的剛性車體處理成彈性體并進行動力學仿真，結果顯示：柔性車體的車輛臨界速度要低，運行平穩(wěn)性與剛性體相比相差不大，脫軌系數、輪重減載率、輪軌垂向力和輪軸橫向力的最大值與剛性車體的最大值相比有所增加或相差不大，這是由于車體結構變形帶來的影響。對剛柔耦合模型進行動力學仿真分析，這將為后續(xù)的研究奠定理論基礎。

[1]姜雪嬌，齊雙強，齊雙峰，等. 基于剛柔耦合模型的C80B 型敞車動力學性能研究[J]. 起重運輸機械，2012，25(5)：25-28.

[2]李笑 ,卜繼玲, 黃運華，等.SIMPACK中的柔性體動力學仿真分析研究[J].信息技術，2010,39(1)：91-94.

[3]李奇，吳定俊，邵長宇.考慮車體柔性的車橋耦合系統(tǒng)建模與分析方法[J]. 振動工程學報，2011,24 (1):41-47.

[4]劉楠. 基于柔性車體的平車動力學性能仿真分析[D]. 成都：西南交通大學，2013.

[5]曲天威，王惠玉. 機車車體和轉向架模態(tài)分析研究[J]. 鐵道機車車輛，2012,32(3): 5-8.

[6]湯禮鵬,劉國偉. 30 t 軸重浴盆式敞車車體模態(tài)分析[J]. 設計與研究，2010,11(3): 3-5.

[7]蘆旭. 基于剛柔耦合的CRH3車體振動疲勞強度分析[D]. 大連：大連交通大學，2010.

[8]Zhou J,Goodall R,Ren L. Influences of car body vertical flexibility on ridequality of passenger railway vehicles[J]. Rail and Rapid Transit,2009,223(5):461-471.

[9]廖英英,劉永強,楊紹普，等. 高速鐵道車輛天棚阻尼懸掛系統(tǒng)時滯穩(wěn)定性分析[J].石家莊鐵道大學學報：自然科學版, 2012, 25(4): 66-71.

[10]劉永強,廖英英,楊紹普，等. 一種抗蛇行減振器控制系統(tǒng)在高速動車組中的仿真應用[J]. 石家莊鐵道大學學報：自然科學版, 2015,28(2) : 68-72.

DynamicSimulationAnalysisofRigidFlexibleCouplingModelofHighSpeedTrain

ZhaoYiwei1,LiuYongqiang1,LiaoYingying2

(1.School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China;2.School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

The effect of the high speed train elastic body on the dynamic performance of the vehicle is studied. To analyze the influence of elastic body, first of all , the FEM model of the body is established, the modal of the body is calculated, then the modal neutral file generated by ANSYS is imported into the VI-Rail software. The flexible body, the front and rear bogie frame subsystems are assembled and rigid flexible coupling vehicle model is built, and its influence is analyzed on motion stability, stable operation and operation safety. By comparing with the rigid multi-body dynamics model, the simulation results show that vehicle with flexible body has better dynamic performances than with rigid body.

high speed train;rigid flexible coupling;VI-Rail;dynamic simulation

U270.1

： A

： 2095-0373(2017)03-0043-05

2016-06-03責任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.03.09

國家自然科學基金(11227201;11472179;U1534204;11572206;11302137;11172182;11372199;11372197);河北省自然科學基金(A2015210005);河北省教育廳項目(YQ2014028)

趙義偉(1992-)男，碩士研究生，主要從事車輛動力學與控制的研究。E-mail：1240012363@qq.com 趙義偉，劉永強，廖英英.高速列車剛柔耦合動力學仿真分析[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2017,30(3):43-47.