杜禮明,葛文帥,章芝霖

(大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

由于地形、建筑物和其他障礙物的遮擋,自然界的風(fēng)具有明顯的隨機(jī)性,風(fēng)速與風(fēng)向隨時(shí)會(huì)發(fā)生變化,因此導(dǎo)致列車周圍氣壓、氣流速度等流場(chǎng)特征隨之改變,影響乘客乘坐舒適性乃至行車安全。近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高速列車氣動(dòng)載荷變化問題,從風(fēng)速、車速、風(fēng)模型等角度對(duì)列車氣動(dòng)載荷變化的影響開展了研究。

王政等[1]表明了列車在橫風(fēng)作用下氣動(dòng)載荷受到的影響最為顯著。李小珍等[2]得到了列車氣動(dòng)參數(shù)突變區(qū)域?qū)挾扰c車速變化成正相關(guān)的結(jié)論。王銘等[3]基于頻域分析了高速列車側(cè)風(fēng)傾覆,發(fā)現(xiàn)風(fēng)荷載對(duì)列車安全運(yùn)行影響更明顯。王玉晶等[4]基于考慮列車風(fēng)的數(shù)值模擬結(jié)果,認(rèn)為列車不同部分氣動(dòng)載荷的變化規(guī)律不同。公衍軍等[5]得出了橫風(fēng)風(fēng)速對(duì)車體氣動(dòng)載荷的影響敏感度大于運(yùn)行車速的結(jié)論。李泉等[6]分析了階躍型陣風(fēng)下列車的氣動(dòng)特性。章芝霖等[7]通過研究隨機(jī)風(fēng)下高速列車的氣動(dòng)特性,認(rèn)為隨著平均風(fēng)速增大,列車受到的氣動(dòng)荷載也增大。YAO 等[8]認(rèn)為列車氣動(dòng)載荷變化幅度取決于車速,而其平均值由外界風(fēng)速?zèng)Q定。吳超等[9]分析了中國(guó)帽型瞬態(tài)風(fēng)場(chǎng)中的高速列車勻速行駛時(shí)區(qū)別于穩(wěn)定橫風(fēng)下的列車氣動(dòng)載荷,研究表明瞬態(tài)風(fēng)場(chǎng)中列車氣動(dòng)載荷波動(dòng)明顯。于夢(mèng)閣等[10]發(fā)現(xiàn)在隨機(jī)風(fēng)環(huán)境下,高速列車的非定常氣動(dòng)載荷具有隨機(jī)特性,且風(fēng)向角越接近于90°,非定常氣動(dòng)載荷的波動(dòng)幅值越大。羅建斌等[11]發(fā)現(xiàn)橫向突風(fēng)對(duì)整車的不同類型氣動(dòng)載荷影響存在差異性,側(cè)向力影響明顯,而對(duì)阻力和升力的影響相對(duì)較弱。HASSAN 等[12]指出,橫風(fēng)下列車所受非定常氣動(dòng)力的頻率較低,近似列車的固有頻率。劉加利等[13]發(fā)現(xiàn)高速列車非定常氣動(dòng)載荷的主要峰值頻率集中在0～5 Hz。李玉坤等[14]發(fā)現(xiàn)在路堤環(huán)境中,受強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用,非定常氣動(dòng)載荷的主要頻率出現(xiàn)在0～50 Hz,峰值頻率主要出現(xiàn)在0～8 Hz。

根據(jù)頻譜分析可知,列車氣動(dòng)載荷極值對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率與高速列車系統(tǒng)本身存在的一些固有振動(dòng)頻率接近,存在列車傾覆的可能,但國(guó)內(nèi)外對(duì)橋塔區(qū)域明線路段列車氣動(dòng)載荷頻域特性研究較少。目前的研究大多是基于穩(wěn)定橫風(fēng)環(huán)境得出的研究結(jié)論,未考慮實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的隨機(jī)性,因此,研究結(jié)果與實(shí)際情況有較大差別。本文采用較廣泛的“中國(guó)帽”隨機(jī)風(fēng)模型,分析了橋塔環(huán)境中隨機(jī)側(cè)風(fēng)和恒定側(cè)風(fēng)對(duì)列車氣動(dòng)載荷的時(shí)域特性和頻域特性,為分析近似區(qū)域列車的振動(dòng)特性提供參考。

1 計(jì)算模型與計(jì)算方法

本文以滬通長(zhǎng)江大橋[15]為背景分析橋上單線行駛高速列車氣動(dòng)載荷時(shí)域特性和頻域特性。采用數(shù)值模擬方法,計(jì)算在橋塔上行駛的列車的氣動(dòng)載荷。為保證恒定側(cè)風(fēng)和隨機(jī)側(cè)風(fēng)下列車周圍流場(chǎng)的充分發(fā)展以及減小邊界條件的影響[16],計(jì)算域及邊界條件設(shè)置如圖1所示。

1—速度入口;2、8—壁面;3、7—對(duì)稱面;4、5、6—壓力出口。

1.1 隨機(jī)側(cè)風(fēng)模型

在研究恒定側(cè)風(fēng)影響時(shí),假定風(fēng)速為15 m/s,風(fēng)向垂直于圖1中的截面1。關(guān)于隨機(jī)側(cè)風(fēng),歐盟鐵路互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范(TSI)提出采用將動(dòng)態(tài)風(fēng)速歷程用雙指數(shù)函數(shù)描述的“中國(guó)帽”風(fēng)模型模擬動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)[17]。本文隨機(jī)風(fēng)以“中國(guó)帽”陣風(fēng)模型函數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行光滑修正得到隨機(jī)側(cè)風(fēng),基頻風(fēng)速取10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s。以基頻風(fēng)速15 m/s為例,風(fēng)速與時(shí)間關(guān)系如圖2所示。取車速250 km/h,設(shè)計(jì)了以下5種工況,如表1所示。

表1 模擬工況表 m/s

圖2 基頻風(fēng)速為15 m/s的修正“中國(guó)帽”風(fēng)載模型

1.2 計(jì)算方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模型和數(shù)值方法的可行性,本文基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)格方法,采用滑移網(wǎng)格技術(shù)[18]模擬車體運(yùn)動(dòng),采用局部動(dòng)態(tài)層變法進(jìn)行更新動(dòng)態(tài)網(wǎng)格,實(shí)現(xiàn)列車移動(dòng)。在車速為200 km/h的4種工況下,比較列車橫向力的仿真運(yùn)算與參考文獻(xiàn)[4]的結(jié)果,建立與參考文獻(xiàn)[4]中幾何尺寸、車型一致的模型并進(jìn)行合理簡(jiǎn)化[19],頭車橫向力對(duì)比如圖3所示,仿真結(jié)果與參考文獻(xiàn)[4]的結(jié)果基本吻合。

圖3 仿真值與參考值對(duì)比

2 列車氣動(dòng)載荷的時(shí)域特性

根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知,頭車氣動(dòng)載荷變化最劇烈。為從時(shí)域角度探究氣動(dòng)載荷與基頻風(fēng)速增加之間的關(guān)系,提取頭車過橋塔全過程氣動(dòng)載荷形成圖4。比較圖4中的曲線,在1.0～1.1 s范圍內(nèi),列車在橋塔區(qū)域內(nèi),由于橋塔遮蔽時(shí)間太短,氣動(dòng)載荷瞬間變化,只能得出氣動(dòng)載荷呈現(xiàn)改變方向趨勢(shì)加大的結(jié)論;在0.8～1.0 s和1.8～2.0 s,列車進(jìn)出橋塔區(qū)域前后2個(gè)時(shí)刻,在圖4(b)和圖4(c)中,在2個(gè)區(qū)間內(nèi),橫向力、測(cè)滾力矩在進(jìn)出橋塔前后氣動(dòng)載荷的反方向上驟然增大10%左右。于整個(gè)行駛過程而言,由于橋塔區(qū)域太短,長(zhǎng)度僅為21 m,略小于車廂長(zhǎng)度,橋塔遮風(fēng)作用對(duì)列車氣動(dòng)載荷變化基本沒影響,與參考文獻(xiàn)[20]所得結(jié)論一致。

由圖4所示的工況1和工況3曲線可知,當(dāng)基頻風(fēng)速相同時(shí),與隨機(jī)側(cè)風(fēng)工況相比,恒定側(cè)風(fēng)工況下列車的橫向力、側(cè)滾力矩、點(diǎn)頭力矩在整個(gè)運(yùn)行過程中變化平緩,升力、搖頭力矩雖然有變化但幅度相對(duì)較小,波動(dòng)劇烈程度也明顯緩于隨機(jī)側(cè)風(fēng)工況。由圖4所示的工況2～工況5中升力、點(diǎn)頭力矩、搖頭力矩極值數(shù)量比橫向力、側(cè)滾力矩多,可見隨機(jī)側(cè)風(fēng)下不同氣動(dòng)載荷的波動(dòng)幅度不同。說明在時(shí)域上,風(fēng)模型因素對(duì)氣動(dòng)載荷變化產(chǎn)生影響,根據(jù)參考文獻(xiàn)[13]可知,列車氣動(dòng)載荷極值對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率與高速列車系統(tǒng)本身存在的一些固有振動(dòng)頻率接近,產(chǎn)生列車傾覆的可能,為了進(jìn)一步分析氣動(dòng)載荷變化的影響,對(duì)時(shí)域上的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換。

對(duì)比圖4中的工況1～工況4的曲線可以發(fā)現(xiàn),車速相同時(shí),由于基頻風(fēng)速增加,耦合風(fēng)場(chǎng)中列車風(fēng)后的風(fēng)向角發(fā)生相對(duì)變化。隨著基頻風(fēng)速增加,在20～25 m/s的基頻風(fēng)速區(qū)間,升力最大增幅在第0.9 s時(shí)達(dá)到200%,橫向力最大增幅在第1.3 s達(dá)到15%,測(cè)滾力矩最大增幅在第1.0 s出現(xiàn),約為400%,而點(diǎn)頭力矩最大增幅在第1.1 s出現(xiàn),約為650%,搖頭力矩最大增幅在第1.0 s出現(xiàn),約為130%,但氣動(dòng)載荷變化幅度與基頻風(fēng)速增加幅度沒有明顯關(guān)聯(lián),同時(shí)發(fā)現(xiàn)頭車在橋塔區(qū)域運(yùn)行時(shí)氣動(dòng)載荷變化劇烈程度不減甚至增加,印證了前文所得到的橋塔遮風(fēng)作用對(duì)列車氣動(dòng)載荷變化影響小的結(jié)論。在隨機(jī)側(cè)風(fēng)工況下,氣動(dòng)載荷圍繞某一數(shù)值上下浮動(dòng),隨著基頻風(fēng)速上升,氣動(dòng)載荷極值數(shù)量基本不變,但極值數(shù)值增加,可見基頻風(fēng)速增加會(huì)導(dǎo)致列車氣動(dòng)載荷變化明顯。

綜上所述,在恒定側(cè)風(fēng)工況和隨機(jī)側(cè)風(fēng)工況下,寬度小于一輛車長(zhǎng)度的橋塔對(duì)緩解列車氣動(dòng)載荷增幅和氣動(dòng)載荷隨時(shí)間變化的波動(dòng)劇烈程度不明顯;較之恒定側(cè)風(fēng)工況,在隨機(jī)側(cè)風(fēng)工況下列車氣動(dòng)載荷變化更激烈;隨機(jī)側(cè)風(fēng)的基頻風(fēng)速增加,氣動(dòng)載荷變化劇烈程度加大,但不同類型氣動(dòng)載荷增加幅度不同,列車安全運(yùn)行應(yīng)充分考慮實(shí)際風(fēng)速波動(dòng)現(xiàn)象。

3 列車氣動(dòng)載荷的頻域特性

為了進(jìn)一步比較高速列車在隨機(jī)側(cè)風(fēng)和恒定側(cè)風(fēng)作用下氣動(dòng)載荷的脈動(dòng)特性,對(duì)頭車所受氣動(dòng)載荷信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換[21],得到不同工況下頻譜分布特性,如圖5所示。

圖5 頭車氣動(dòng)載荷頻域特性

由圖5可知,氣動(dòng)載荷對(duì)應(yīng)的頻率變化范圍為0～5 Hz。與時(shí)域特性變化類似,隨機(jī)側(cè)風(fēng)工況相較于恒定側(cè)風(fēng)工況,除升力外,橫向力、側(cè)滾力矩、點(diǎn)頭力矩、搖頭力矩功率譜密度極值數(shù)量更多。與基頻風(fēng)速相同的隨機(jī)側(cè)風(fēng)相比,在恒定側(cè)風(fēng)工況下,升力功率譜密度最大值高出5%左右,橫向力功率譜密度最大值低了80%左右,側(cè)滾力矩功率譜密度最大值低了95%左右,點(diǎn)頭力矩功率譜密度最大值高出60%左右,搖頭功率譜密度最大值低了90%。隨機(jī)側(cè)風(fēng)下頭車的氣動(dòng)載荷功率譜密度隨頻率增加起伏變化,但極值隨頻率增加而減小,氣動(dòng)載荷功率譜密度總體呈現(xiàn)隨著頻率增加而減小的趨勢(shì)?？傊?恒定側(cè)風(fēng)下的非定常氣動(dòng)載荷在頻域的峰值與隨機(jī)側(cè)風(fēng)下的非定常氣動(dòng)載荷在頻域的峰值有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

在隨機(jī)側(cè)風(fēng)工況下,盡管基頻風(fēng)速不同,但功率譜密度的最高值、次高值對(duì)應(yīng)的頻率范圍基本相同,氣動(dòng)載荷功率譜密度峰值均出現(xiàn)在1 Hz以下,次高值則出現(xiàn)在2 Hz以下。從圖5可以看出,高速列車非定常氣動(dòng)載荷的頻譜集中在0～5 Hz,最大值對(duì)應(yīng)頻率集中在0～1 Hz,說明由隨機(jī)側(cè)風(fēng)導(dǎo)致的列車非定常氣動(dòng)載荷的頻率較低,接近列車本身的一些固有振動(dòng)模態(tài)頻率,車體5種常見的振動(dòng)模態(tài)及模態(tài)頻率為:下心測(cè)滾的模態(tài)頻率為0.505 Hz,上心測(cè)滾的模態(tài)頻率為1.546 Hz,車體搖頭的模態(tài)頻率為0.642 Hz,車體點(diǎn)頭的模態(tài)頻率為1.661 Hz,車體點(diǎn)頭頻率為1.758 Hz。由此可見,無論哪種風(fēng)模型,下心側(cè)滾力矩、搖頭力矩都易引起列車共振。因此,存在側(cè)風(fēng)引起列車系統(tǒng)的共振,進(jìn)而產(chǎn)生列車傾覆的可能。隨著隨機(jī)側(cè)風(fēng)基頻風(fēng)速增加,頻率范圍、氣動(dòng)載荷功率譜密度最大值對(duì)應(yīng)的頻率范圍不變,但除升力外,頭車氣動(dòng)載荷功率譜密度極值大小增加,最大值數(shù)值增加。由此可見,不同基頻風(fēng)速的隨機(jī)側(cè)風(fēng)下的非定常氣動(dòng)載荷在頻域的峰值有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。具體表現(xiàn)為:不同基頻風(fēng)速的隨機(jī)側(cè)風(fēng)下的非定常升力、橫向力、側(cè)滾力矩、點(diǎn)頭力矩、搖頭力矩在頻域的主要峰值存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。關(guān)于列車與安全性之間的關(guān)系,本文已進(jìn)行了深入研究,由于篇幅所限,難以在此處展開論述。

4 結(jié)論

(1) 在恒定側(cè)風(fēng)下,列車的橫向力、側(cè)滾力矩、點(diǎn)頭力矩在整個(gè)運(yùn)行過程中變化平緩,而升力、搖頭力矩有小幅度變化,波動(dòng)明顯較隨機(jī)側(cè)風(fēng)工況下平緩;隨機(jī)側(cè)風(fēng)的基頻風(fēng)速上升時(shí),氣動(dòng)載荷極值基本不變,但極值數(shù)值增加,可見基頻風(fēng)速增加導(dǎo)致列車氣動(dòng)載荷變化明顯。

(2) 2種風(fēng)模型下氣動(dòng)載荷功率譜密度最大值對(duì)應(yīng)頻率集中在0～1 Hz范圍內(nèi),極為接近列車本身的一些固有振動(dòng)模態(tài)頻率,易與列車形成共振。

(3) 與恒定側(cè)風(fēng)相比,隨機(jī)側(cè)風(fēng)下的氣動(dòng)載荷功率譜密度峰值更大,且隨著基頻風(fēng)速增大,該峰值也增大。