高速列车-轨道三维刚柔耦合动力学研究

摘要

经过近10年的快速发展，我国已建成世界上规模最大的高速铁路网，因此确保高速列车在长期服役过程中的安全平稳运行将是我国高速铁路运营中所面临的重大挑战。高速列车的安全平稳运行取决于列车-轨道耦合系统的动态特性和运行状态下的行为，因而广泛而深入地开展高速列车-轨道大系统耦合动力学研究，是我国高速铁路技术得以持续发展并保持世界领先地位的基本前提条件。
　　高速列车-轨道耦合动力学研究是一个十分复杂的课题，其理论建模和数值仿真的研究涉及车辆工程、力学、数学等众多学科，当前的列车-轨道耦合动力学理论还不能很好地模拟和解释我国高速列车运营中出现的诸多动力学现象及其机理，如高速列车系统柔性振动引发的车体异常抖动、车轮高阶多边形磨耗、转向架悬挂部件的疲劳破坏等。因此，复杂运行状态下高速列车-轨道刚柔耦合动力学研究是我国铁路领域急需开展的基础研究课题。
　　本文针对高速列车-轨道三维刚柔耦合动力学建模及我国高速列车运营中出现的典型动力学问题，开展了以下几方面的研究工作:
　　(1)对列车-轨道刚柔耦合动力学的研究历史和现状进行了详细论述，明确了高速列车-轨道三维刚柔耦合动力学研究的意义，探讨了目前高速列车-轨道刚柔耦合动力学研究存在的问题及今后可能的发展方向。
　　(2)建立了较为完整的高速列车-轨道三维刚柔耦合动力学理论分析模型，并开发了相应的数值仿真程序。整个理论分析模型由列车系统动力学模型、轨道系统动力学模型、轮轨空间动态接触模型、列车/轨道耦合界面激励模型四个子模型组成。该模型能够模拟匀速及变速状态下高速列车与轨道的刚柔耦合振动行为，突破了传统列车-轨道耦合动力学模型不能模拟列车变速状态下系统动力性能的局限性，拓展了现有列车-轨道耦合动力学的频率分析范围。
　　(3)建立了基于多刚体理论的高速列车纵/横/垂三维耦合动力学模型和分析频率较宽的高速列车刚柔耦合动力学模型。多刚体模型中，每节车辆简化为42自由度的质量-弹簧-阻尼系统;刚柔耦合动力学模型中，每节车辆的车体及转向架构架采用柔性体建模，借助于有限元模态分析技术和模态叠加法对车体和构架的柔性振动响应进行求解，实现了1000 Hz以内构架柔性振动及50 Hz以内车体柔性振动行为的模拟;列车模型考虑了车辆一二系悬挂部件和车间连接部件的时频非线性特性。
　　(4)建立了较完善的高速有砟及无砟板式轨道动力学时域分析模型。模型中有砟轨道为钢轨-轨枕-道床三层结构，而板式轨道则为钢轨-轨道板两层结构。针对不同的动力学研究需求，建立了两种钢轨动力学模型:基于Timoshenko梁的离散支承连续梁模型及基于空间梁单元的有限元模型，两种钢轨模型的振动响应求解均采用模态叠加法;轨枕模型考虑其垂向弯曲振动、纵向和横向平动及摇头运动，垂向弯曲变形采用两端自由的Euler梁模拟;轨道板采用三维实体有限元建模，采用有限元模态分析技术和模态叠加方法求解轨道板的振动响应;有砟轨道中的碎石道床离散为集中质量块，只考虑其垂向振动，道床块之间由剪切弹簧-阻尼单元相连。扣件系统及轨道板间的连接采用线性的弹簧-阻尼单元模拟，有砟轨道道床及轨道板下支撑结构均简化为均匀一致分布的粘柔性单元，忽略桥梁及路基振动的影响。
　　(5)改进了高速轮轨三维滚动接触计算模型。轮轨空间接触几何关系采用迹线法和最小距离法求解，轮轨法向力采用非线性Hertz接触理论进行计算，轮轨蠕滑力的求解则基于沈氏理论，其中轮轨蠕滑率的计算考虑了车轮向前滚动和钢轨纵向、横向、垂向及扭转运动的影响。
　　(6)提出了移动钢轨模态模型和轨道长度自适应模型两种新型的列车/轨道界面耦合计算模型。移动钢轨模态模型中，钢轨采用Timoshenko梁模拟，钢轨的模态分析在其几何坐标系中进行，而钢轨动态响应的求解则基于全局惯性坐标系，轨下支撑结构的计算长度根据移动列车坐标系在全局坐标系中的位置而自动调整;轨道长度自适应模型中，钢轨采用有限元方法建模;轨道结构各部件的计算长度相互协调并根据移动列车坐标系在全局坐标系中的位置而自动调整。
　　基于建立的高速列车-轨道三维刚柔耦合动力学模型，主要开展了以下三方面研究工作:
　　①系统研究了变速状态下高速列车的动态响应特征;再现了低黏着情况下车轮牵引打滑和制动抱死条件下列车的纵向动力学行为;分析了牵引制动载荷对高速列车运行稳定性、安全性及平稳性的影响规律;初步调查了变速移动列车作用下轨道结构的动态响应特征。
　　②深入调查了车体柔性振动对高速列车运行平稳性、乘坐舒适性及运行安全性的影响规律，并开展了基于乘坐舒适性的轨道不平顺敏感波长研究;详细分析了构架柔性振动对其振动响应及高速列车运行安全性及平稳性的影响规律，并初步探讨了高速列车车轮高阶多边形磨耗与构架柔性振动的相关性。
　　③详细分析了轨道模型中钢轨及轨下支承部件建模方法对高速列车-轨道刚柔耦合振动性能的影响规律;比较了有砟轨道与无砟板式轨道振动性能的差异;模拟了高速铁路线路枕跨冲击现象，并调查了其关键影响因素及相关缓解措施。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 高速列车-轨道耦合动力学理论建模研究现状

1．2．1 列车系统动力学建模

1．2．2 轨道系统动力学建模

1．2．3 轮轨系统耦合行为建模

1．3 本文的主要研究工作

第2章 高速列车动力学模型

2．1 高速列车车辆多刚体系统动力学模型

2．2 高速列车车辆刚柔耦合系统动力学模型

2．3 悬挂部件动力学模型

2．3．1 车辆悬挂部件

2．3．2 车间悬挂部件

2．4 本章小结

第3章 轨道系统动力学模型

3．1 无砟板式轨道系统动力学模型

3．2 有砟轨道系统动力学模型

3．3 轨道系统部件计算模型及振动方程

3．3．1 钢轨模型

3．3．2 轨枕模型

3．3．3 轨道板模型

3．3．4 道床模型

3．4 本章小结

第4章 轮轨耦合模型及模型验证

4．1 轮轨相互作用模型

4．1．1 基于迹线法的轮轨接触几何关系求解

4．1．2 轮轨法向力计算模型

4．1．3 轮轨蠕滑力计算模型

4．2 列车-轨道界面耦合模型

4．2．1 移动钢轨模态模型

4．2．2 轨道长度自适应模型

4．3 高速列车-轨道耦合动力学仿真软件计算流程及功能

4．4 模型验证

4．5 本章小结

第5章 牵引制动状态下高速列车-轨道耦合动力学分析

5．1 高速列车纵向动力学行为模拟

5．1．1 高速列车牵引／制动行为模拟

5．1．2 高速车轮打滑模拟

5．2 变速状态下高速列车动力学性能分析

5．2．1 运行平稳性

5．2．2 运行安全性

5．2．3 运行稳定性

5．3 列车变速情况下轨道振动性能分析

5．4 本章小结

第6章 高速列车系统刚柔耦合动力学分析

6．1 车体刚柔耦合动力学分析

6．1．1 柔性车体模型

6．1．2 基于柔性车体的高速列车动力学性能分析

6．1．3 基于乘坐舒适性的轨道不平顺敏感波长分析

6．2 构架刚柔耦合动力学分析

6．2．1 柔性构架模型

6．2．2 基于柔性构架的高速列车动力学性能分析

6．2．3 构架柔性振动与车轮高阶多边形磨耗的相关性分析

6．3 本章小结

第7章 轨道结构的不同建模方法及其影响分析

7．1 典型钢轨动力学模型比较分析

7．1．1 稳态响应

7．1．2 随机激励响应

7．1．3 横向冲击响应

7．1．4 垂向冲击响应

7．1．5 周期性激励响应

7．2 轨下支撑部件建模对车轨系统动力学性能的影响分析

7．2．1 板式轨道结构

7．2．2 有砟轨道结构

7．3 有砟轨道与无砟轨道动力学性能对比分析

7．4 高速铁路枕跨冲击现象及关键影响因素分析

7．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果