转向架柔性构架对高速车辆系统动力学的影响研究

摘要

由于轨道车辆承载结构轻量化和运行速度高速化的原因，车辆在高速运行状态下构架等承载结构的弹性振动对整个车辆系统的影响已经成为人们关注的行业热点问题之一。车辆高速运行时轮轨间产生的高频振动会对车辆系统运行性能造成不利影响，而通过悬挂系统的减振作用能够使各结构振动频率保持在合理范围内，其中构架作为一系悬挂系统和二系悬挂系统之间的过渡结构，引入构架柔性特性来分析构架振动特性对车辆系统动力学性能的影响，对于确保车辆运行安全、提高乘坐舒适性、疲劳寿命计算有一定的理论价值和工程应用价值。
　　首先建立具有50个自由度的刚柔耦合车辆系统动力学模型和多刚体车辆系统动力学模型。对经过结构简化的构架模型进行精细有限元网格划分，使用Lanczos方法和Guyan缩减法分别对构架有限元模型进行模态分析和子结构分析，且将两种分析所得结果引入构架模型，从而建立起具有柔性特征的柔性构架模型；根据柔性体动力学理论，建立引入柔性构架的刚柔耦合车辆系统动力学模型。
　　然后利用已经建立的刚柔耦合车辆系统模型，以德国低干扰轨道谱激励作为载荷边界条件，计算车辆在不同速度和工况环境下的构架振动规律和车辆系统的动力学性能，且进一步计算得出该模型的蛇行临界速度、车辆运行平稳性、轮重减载率和脱轨系数等评价指标，与多刚体车辆系统计算所得结果对比后发现：相同速度下，构架一系弹簧座中心位置的振动加速度明显大于构架质心位置，且构架的模态振动加速度主要集中在100Hz以下的中低频段；侧梁末端中心位置在100km/h这样相对较低的速度下有明显的模态振动发生，而构架质心位置在车辆运行速度达到350km/h时也只有轻微的模态振动，可见外界激励对构架质心横向模态模态振动加速度的影响较小。构架弹性特性对车辆系统平稳性和稳定性并没有影响，而对车辆系统曲线通过性能则有一定影响，刚柔耦合车辆系统一位轮对的轮重减载率小于多刚体车辆系统，二位轮对与之相反；相同速度下，刚柔耦合车辆系统一位和二位轮对脱轨系数均大于多刚体车辆系统。
　　最后根据静力学方法计算得到构架弯曲和扭转刚度，通过改变材料的物理参数的方法，分别建立具有不同弯曲刚度和扭转刚度特性的柔性构架模型，以研究具有不同弯曲刚度和扭转刚度的构架对车辆系统动力学的影响。分析结果表明：构架弯曲刚度对车辆平稳性有较小影响，对车辆稳定性没有影响，但弯曲刚度下降将导致车辆轮对力分布更加不均，使过曲线性能有所下降。扭转刚度对于车辆平稳性和稳定性能没有影响，扭转刚度的下降在一定程度上能够提升车辆曲线通过性能。因此具有较高弯曲刚度和较小扭转刚度的构架有利于提升车辆系统的过曲线性能。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 柔性体应用在多体系统中的研究现状

1.3 刚柔耦合理论在轨道机车车辆上的研究现状

1.4 论文的主要研究内容

2 车辆多体系统理论方法

2.1 刚柔耦合动力学研究的基本方法

2.2 车辆多刚体系统模型的建立理论

2.3 车辆刚柔耦合系统的建模理论

3 柔性构架的实现

3.1 CRH3动车转向架构架三维实体模型

3.2 构架有限元模型

3.3 柔性构架子结构分析

3.4 柔性构架模态分析

3.5 柔性构架生成

4 车辆系统动力学模型建立

4.1 建模前处理

4.2 车辆系统模型建立

4.3 车辆系统激扰模型建立

5 考虑构架柔性对车辆系统动力学的影响

5.1 柔性构架振动规律分析

5.2 车辆动力学性能评价指标

5.3考虑构架弹性对运行稳定性影响

5.4 考虑构架弹性对运行平稳性影响

5.5 构架弹性振动对安全性能影响

6 构架刚度对车辆系统动力学影响研究

6.1 构架刚度计算方法

6.2构架刚度计算

6.3 不同刚度构架振动规律

6.4 构架刚度对车辆稳定性影响

6.5 构架刚度对车辆平稳性影响

6.6 构架刚度对车辆过曲线性能影响

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果