车辆系统刚柔耦合动力学仿真方法及仿真平台研究

摘要

高速列车的高速化运营和轻量化设计导致车辆系统的主要结构部件弹性振动加剧，而高频的弹性振动会引起诸多问题，如车体地板抖动导致车辆平稳性和乘坐舒适度恶化，构架高频振动引起结构疲劳破坏，轮对高频振动产生噪声污染和不均匀磨耗等。在研究车辆动力学行为对结构弹性振动特性的相互影响时，需要采用多体系统动力学理论，建立车辆系统刚柔耦合模型。目前进行刚柔耦合仿真主要依赖通用多体动力学软件完成，但对于特殊的仿真需求，如计算结构动态应力、考虑轮对弹性的刚柔耦合仿真等，商业软件实现过程比较复杂，甚至无法实现。为此本文对车辆系统刚柔耦合动力学理论和车辆动力学平台的相关技术进行研究，建立车辆系统刚柔耦合仿真平台。具体的研究内容主要包括以下几个方面:
　　(1)详细研究了一般多体系统刚柔耦合动力学理论，并在此基础上引入轨道坐标系，推导了基于轨道坐标系的车辆系统刚柔耦合动力学方程。研究了基于车辆子结构的列车建模方法。
　　(2)在传统迹线法的基础上，提出了分区段接触点搜索算法用于处理轮轨多点接触问题。采用轮轨接触几何修正和多层平滑的方法对轮轨接触参数进行平滑处理，确保仿真计算的稳定性。
　　(3)开发了多刚体动力学仿真平台，在此基础上增加了柔性体前处理模块、刚柔耦合模块、轮轨接触模块等，形成了车辆系统刚柔耦合动力学仿真平台。建立了多刚体车辆动力学模型，一般多体刚柔藕合模型和车辆系统刚柔耦合动力学模型等多种模型，并设计多种工况对仿真平台进行验证，结果证明了该仿真平台的正确性和可靠性。
　　(4)研究了拉格朗日描述的轮对刚柔耦合方程，以及由于轮对大角度旋转带来的编程困难。为了解决轮对刚柔耦合仿真的困难，推导了基于任意拉格朗日-欧拉法(ALE)法的轮轨刚柔耦合方程，并设计了考虑轮对弹性的轮轨接触点计算方法。
　　(5)在本文搭建的车辆系统刚柔耦合仿真平台上建立了车辆系统刚柔耦合动力学模型，分析了柔性车体、柔性构架和柔性轮对的弹性振动及其对动力学性能的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 多体系统动力学研究现状

1．2．1 多体系统动力学建模及求解

1．2．2 柔性体描述方法

1．2．3 刚柔耦合建模技术研究进展

1．3 车辆系统动力学发展现状

1．3．1 车辆系统动力学模型的发展

1．3．2 车辆系统动力学仿真软件

1．4 柔性轮对建模方法研究进展

1．4．1 轮轨接触点算法

1．4．2 柔性轮对动力学研究

1．5 本文主要研究内容及论文结构安排

第2章 车辆系统刚柔耦合动力学理论

2．1 一般多体系统动力学

2．1．1 刚体和柔性体空间描述

2．1．2 质量矩阵

2．1．3 力元描述

2．1．4 运动约束描述

2．1．5 系统微分代数方程组

2．2 轨道空间几何描述

2．2．1 曲线框架描述

2．2．2 线路过渡段描述

2．2．3 过渡点平滑

2．3 车辆系统刚柔耦合动力学

2．3．1 轨道坐标系定义

2．3．2 基于轨道坐标系的刚体描述

2．3．3 基于轨道坐标系的刚柔耦合描述

2．3．4 基于轨道坐标系的力元描述

2．3．5 基于轨道坐标系的约束描述

2．3．6 车辆系统刚柔耦合动力学方程

2．3．7 高速列车动力学建模

2．4 本章小结

第3章 柔性轮对刚柔耦合仿真方法研究

3．1 拉格朗日描述的柔性轮对刚柔耦合模型

3．1．1 轮对刚柔耦合方程

3．1．2 轮对刚柔耦合仿真中的实际问题

3．2 ALE描述的轮对刚柔耦合模型

3．2．1 任意拉格朗日欧拉描述

3．2．2 柔性轮对动力学方程

3．3 本章小结

第4章 轮轨接触关系及算法研究

4．1 轮轨接触几何计算

4．1．1 轮轨接触迹线计算

4．1．2 分区段搜索法求解接触点

4．1．3 柔性轮对轮轨接触点算法

4．1．4 柔性轮对等效接触点算法

4．2 轮轨接触几何修正

4．2．1 等效椭圆法接触参数修正

4．2．2 准弹性模型接触参数触修正

4．2．3 接触参数平滑处理方法

4．3 轮轨力计算

4．3．1 基于赫兹理论的轮轨法向力计算

4．3．2 轮轨蠕滑率计算

4．3．3 轮轨蠕滑力计算

4．4 本章小结

第5章 车辆系统刚柔耦合动力学仿真平台

5．1 车辆系统动力学仿真平台

5．2 刚柔耦合模块开发

5．2．1 刚柔耦合动力学软件功能模块

5．2．2 模态集的选取及系统方程正交化

5．2．3 惯性定常项计算

5．2．4 应力和应变模态叠加法

5．2．5 有限元结果文件输出

5．2．6 刚柔耦合程序开发

5．3 轮轨接触模块开发

5．3．1 轮轨接触几何处理类

5．3．2 轮轨接触力处理类

5．3．3 柔性轮对处理类

5．4 车辆系统动力学仿真结果及平台验证

5．4．1 多刚体车辆动力学仿真及模型验证

5．4．2 一般刚柔耦合模型验证

5．4．3 车辆系统刚柔耦合仿真及模型验证

5．5 本章小结

第6章 车辆系统刚柔耦合动力学性能分析

6．1 柔性车体刚柔耦合仿真

6．1．1 柔性车体稳定性分析

6．1．2 柔性车体平稳性分析

6．1．3 不同耦合方式对比

6．2 柔性构架刚柔耦合仿真

6．2．1 柔性构架曲线通过安全性分析

6．2．2 柔性构架对三角坑线路的响应分析

6．3 柔性轮对刚柔耦合仿真

6．3．1 轮对弹性变形分析

6．3．2 刚性轮对和柔性轮对仿真对比

6．3．3 柔性轮对轨道压溃动力响应分析

6．3．4 柔性轮对轨道波磨动力响应分析

6．3．5 柔性轮对短波不平顺响应分析

6．4 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

附录A