基于耦合模型的高速货运动车组动力学性能分析

摘要

集装器运输在海铁联运、国际联运、公铁联运中扮演着重要角色，为充分利用我国庞大铁路线路提高运输效率，在动车组车厢内加装集装器开行高速货运动车组是未来铁路货运的发展方向。随着货运动车组运行速度的增加，对车辆系统的研究不能局限于多刚体模型，而忽略高速运行时由于部件弹性、货物振动等引起的车体振动变形，甚至引起车辆运行品质恶化。本文针对装载集装器的最高设计时速为350km/h的货运动车组进行如下研究：　　首先对车辆多体系统动力学理论进行阐述，分别介绍了多刚体系统动力学、多柔体系统动力学和刚柔耦合系统动力学的基本理论，为下文的模型建立和计算提供理论基础。基于上述理论，考虑了车体内装载集装器的排列形式以及集装器的规格，考虑集装器与车体底板的装载加固方式建立了货运动车组的拖车的“车-货”耦合模型，在此基础上还分别建立了考虑柔性车体的刚柔耦合模型和考虑集装器中可能装载的液体货物液面晃动影响的液固耦合等效模型。　　从车辆系统动力学性能的角度分析悬挂关键参数对集装器与车体耦合连接的车辆系统和刚性连接的多刚体系统的影响，综合分析关键参数对两种模型的影响差异，为车辆的悬挂参数设计提供理论支持。针对“车-货”耦合车辆系统中用于装载加固装置的抓钩橡胶块刚度进行分析，综合考虑车辆系统的动力学性能及集装器的振动。对“车-货”耦合模型、刚柔耦合模型及液固耦合模型进行车辆系统振动响应分析，验证了精细化建模带来的影响。其中“车-货”模型的集装器振动大于车体振动，差距随运行速度增大而变大，并且集装器在抓钩加固情况下仍出现横向自振；柔性车体的横向和垂向振动相较于多刚体模型明显增大，垂向振动中出现了车体的结构自振，车辆系统的运行平稳性能受到影响，对曲线通过性能造成的影响不大；液固耦合模型的集装器振动幅值明显大于多刚体模型，影响了车辆系统的运行平稳性，但对曲线通过性的影响很小。结果表明高速货运动车组满足最高设计速度350km/h的要求，且各项指标留有一定安全裕量。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 柔性车体研究

1.2.2 容器内液体晃动研究

1.3 考虑集装器与车体连接的高速货运动车组特点

1.4 本文主要内容

第2 章车辆多体系统动力学基本理论

2.1 多刚体系统动力学

2.1.1 牛顿-欧拉法

2.1.2 拉格朗日法

2.1.3 凯恩法

2.2 多柔体系统动力学

2.2.1 模态叠加法

2.2.2 有限元分析法

2.3 刚柔耦合系统动力学

2.3.1 浮动参考坐标系法

2.3.2 迁移坐标法

2.3.3 有限段法

2.4 振动理论

2.4.1 多自由度系统振动理论

2.4.2 减振理论

2.5 本章小结

第3 章高速货运动车组耦合系统动力学模型

3.1 模型中的非线性环节

（1）轮轨接触几何非线性

（2）轮轨蠕滑非线性

（3）悬挂系统非线性

3.2 多刚体货运动车组动力学模型建立

3.3 考虑集装器与车体接触的耦合模型

3.3.1 集装器模型建立

3.3.2 “车-货”耦合模型建立

3.4 考虑柔性车体的刚柔耦合模型

3.4.1 柔性车体有限元模型

3.4.2 子结构分析

3.4.3 刚柔耦合模型建立

3.5 考虑集装器中液体晃动的液固耦合模型

3.5.1 液固耦合建模方法介绍

3.5.2 液固耦合方法分析

3.5.3 液固耦合模型建立

3.6本章小结

第4 章高速货运动车组关键悬挂元件特性参数优化

4.1 动力学评价指标

4.1.1 运动稳定性

4.1.2 运行平稳性

4.2 转向架关键悬挂参数影响

4.2.1 抗蛇行减振串联刚度及阻尼特性

4.2.2 转臂节点刚度

4.3 抓钩橡胶块刚度影响

4.3.1 抓钩橡胶块刚度对车辆系统影响

4.3.2 抓钩橡胶块刚度对集装器振动影响

4.4 本章小结

第5 章货运动车组耦合系统动力学性能分析

5.1 车辆系统模态分析

5.2 耦合模型振动响应分析

5.2.1 考虑集装器与车体连接的耦合模型分析

5.2.2 考虑柔性车体的刚柔耦合模型分析

5.2.3 考虑集装器中液体晃动的液固耦合模型分析

5.3 运行平稳性分析

5.3.1 空车状态下平稳性分析

5.3.2 重车状态下平稳性分析

5.4 曲线通过性能分析

5.4.1 空车状态下曲线通过性能分析

5.4.2 重车状态下曲线通过性能分析

5.5 本章小结

结 论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文以及参加的科研项目

学位论文数据集