中高频激励下轮轨不同建模方法对地铁车辆动态响应的影响研究

摘要

在现代轨道交通工程中，动力学数值模拟已成为研究车辆轨道动力性能的主要研究手段之一。随着车辆运营，轮轨关系会出现恶化，轮轨局部不平顺、钢轨波磨和车轮多边形磨耗等轮轨短波不平顺在轨道交通系统中较为常见。轮轨短波不平顺会导致轮轨系统出现中高频振动响应，这对轨道车辆动力学仿真计算的可靠性提出了更高要求。因此，对轨道车辆动力学仿真模型展开深入研究具有十分重要的理论和现实意义。　　本文结合某地铁线路现场试验数据，针对地铁车辆动力学仿真，研究轮对和轨道建模方法对计算结果及计算效率的影响；同时，针对地铁实际运营中较常见的多边形磨耗问题及P2共振问题展开了相关详细研究。主要工作和结论如下：　　(1)对我国某条地铁线路进行车轮非圆化磨耗调查、钢轨不平顺调查和地铁车辆线路振动试验，系统分析轮轨异常磨耗激励下车辆系统动态响应。通过试验可知，该地铁轮轨异常磨耗严重，钢轨焊接接头不平顺激扰容易激发轮轨系统P2共振，车轮多边形异常磨耗加剧车辆系统振动响应，影响车辆运行安全性和舒适性。　　(2)基于动力学分析软件SIMPACK和有限元分析软件ANSYS，建立了四种地铁车辆动力学分析模型，即：多刚体动力学模型、考虑轮对柔性动力学模型、考虑轨道结构柔性动力学模型以及考虑轮对-轨道结构柔性动力学分析模型。　　(3)基于四种动力学分析模型，系统地对比分析各类轮轨不平顺激励下不同模型轮轨动态相互作用和车辆系统动力学性能的差异，结合模型仿真计算效率，为动力学仿真计算时模型选取提供参考。结果表明，0~30Hz低频轮轨激励下，轮轨刚/柔性对计算结果影响较小，但考虑轮对、轨道结构柔性计算效率低下，建议采用多刚体模型。30Hz以上中高频轮轨激励下考虑轮对结构弹性变形动力学模型其计算结果略优于多刚体模型，但由于没有考虑轨道结构弹性变形会高估轮轨中高频振动响应，计算结果仍存在较大误差。考虑轨道结构柔性的动力学模型及考虑轮对-轨道结构柔性动力学分析模型能较准确反映系统P2共振，其计算结果更准确可靠。此外，考虑轮对-轨道结构柔性动力学分析模型还能较好反应轮对固有模态频率。综合对比分析，建议分析中高频轮轨激励时采用考虑轮对、轨道结构柔性的刚柔耦合动力学模型。　　(4)利用现场车辆-轨道线路振动试验数据验证了适用于中高频分析的地铁车辆动力学分析模型。针对地铁实际运营中较严重的多边形磨耗问题及P2共振问题展开了相关研究。结果表明，车轮谐波型磨耗激励下阶次和速度的增大会加剧地铁车辆关键零部件振动；当车轮多边形通过频率与轮轨系统P2共振频率(64 Hz)及轮对弯曲模态频率(88 Hz)接近时，会加剧轮轨间动态相互作用从而导致系统振动异常；车轮圆周局部不平顺会激发轮轨系统P2共振，该地铁线路普通整体道床P2共振频率为64Hz；簧下质量及钢轨扣件刚度对系统P2共振频率影响较大，轮轨系统P2共振频率随扣件刚度增大而增大，扣件刚度由20MN/m增大至75MN/m，P2共振频率增大了43Hz；轮轨系统P2共振频率随簧下质量增大而减小，簧下质量从1000kg增大至2000kg，系统P2共振频率从73Hz降低至53Hz。

目录

声明

第1章绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 中高频轮轨激励下车辆轨道动力学建模研究现状

1.2.1 基于车辆系统动力学的动态响应分析

1.2.2 基于车辆-轨道耦合系统动力学的动态响应分析

1.2.3 基于有限元法的轮轨动态响应分析

1.3 本文主要研究内容

第2章地铁轮轨磨耗测试及线路振动试验

2.1 车轮轨道静态测试及分析

2.1.1 车轮多边形磨耗测试

2.1.2 钢轨焊缝不平顺测试

2.2 地铁车辆线路振动试验

2.2.1 测试方法及过程

2.2.2 测试结果及分析

2.3 本章小结

第3章地铁车辆动力学分析模型

3.1 地铁车辆多刚体动力学模型

3.1.1 模型处理

3.1.2 模型自由度

3.1.3 SIMPACK 动力学模型建立

3.2 柔性多体系统动力学仿真理论基础及建模过程

3.2.1 柔性体运动方程

3.2.2 子结构分析

3.2.3 SIMPACK 中刚柔耦合的实现

3.3 柔性体模型

3.3.1 柔性轮对模型

3.3.2 柔性轨道结构模型

3.4 对比模型建立

3.5 本章小结

第4章轮轨不同建模方法对车辆动态响应的影响分析

4.1 直线工况下动力学性能对比分析

4.1.1 动力学性能评价指标

4.1.2 直线动力学性能分析结果

4.2 曲线工况下曲线通过性能对比分析

4.2.1 曲线通过性能评价指标

4.2.2 曲线通过性能分析结果

4.3 焊接接头不平顺激励下不同模型轮轨动态响应的差异

4.3.1 单谐波不平顺

4.3.2 马鞍形不平顺

4.3.3 叠合型不平顺

4.4 车轮多边形磨耗激励下不同模型轮轨动态响应的差异

4.4.1 典型实测多边形磨耗

4.4.2 谐波磨耗激励

4.5 车轮圆周局部不平顺激励下不同模型轮轨动态响应的差异

4.5.1 车轮圆周局部不平顺模型

4.5.2 差异对比分析

4.6 本章小结

第5章中高频激励下地铁车辆动态响应研究

5.1 地铁车辆-轨道结构刚柔耦合动力学模型验证

5.2 多边形磨耗下动态响应分析

5.2.1 多边形磨耗阶数对车辆-轨道系统振动响应影响分析

5.2.2 车辆运行速度对车辆-轨道系统振动响应影响分析

5.3 车轮圆周局部不平顺激励下系统动态响应分析

5.3.1 车轮圆周局部不平顺波长对轮轨系统动态响应分析

5.3.2 扣件刚度对轮轨系统动态响应分析

5.3.3 车辆运行速度对轮轨系统动态响应分析

5.3.4 簧下质量对轮轨系统动态响应分析

5.3.5 地基约束刚度对轮轨系统动态响应分析

5.4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及参加的科研项目

学位论文数据集