基于SPH方法的高速列车风阻制动板性能研究

摘要

随着高速铁路已成为未来铁路的发展趋势，更快的运行速度对列车制动能力尤其紧急制动能力提出了更高的要求。传统黏着制动方式受到轮轨之间黏着条件的限制，而这种限制并不存在于非黏着制动方式。研究风阻制动等新型非黏着制动方式弥补高速列车制动能力的不足，对保证列车的运行安全有着重大意义。　　本文以高速列车风阻制动板为研究对象，采用光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)方法，在C++语言环境下，开发了可应用于风阻制动板制动性能研究的二维动态数值模拟程序。在300km/h、325km/h和350km/h三种运行速度工况下，以5?为间隔，对0?~90?之间不同最大开启角度?的制动过程进行动态仿真，得到风阻制动板气动特性规律(一是风阻制动板制动过程中气动阻力和升力的变化规律；二是气动阻力和升力随最大开启角度变化的规律)，验证了不同运行速度工况下风阻制动板气动特性规律的一致性，并为风阻制动板最佳开启角度的选取给出了合理建议。在300km/h运行速度工况下对采用建议开启角度(80?)的风阻制动板制动过程进行时长析说明。　　不同运行速度工况下风阻制动板气动特性规律基本一致，仅存在数值大小和变化快慢的不同。制动板转动过程中受力增长平稳，转动骤停瞬时受到流场强烈冲击，开启后可提供稳定可观的制动力。风阻制动板除产生水平方向的制动力外，还可提供一个垂直方向的升力，有利于改善轮对与钢轨之间的接触。最大制动力出现在75????85?时，并非垂直开启时；升力近似为以??65?为对称轴的正弦分布，在??65?左右取得最大值。建议选取80?作为风阻制动板最大开启角度，在确保获得最大制动力的同时，改善轮轨间接触关系。　　风阻制动板在大约0.03s内完成整个开启过程，满足快速响应要求，可提供较可观的制动力，具有良好的制动性能。开启瞬时受力分布呈梯度分布，易产生弯曲变形。矩形制动板直角边缘处对气流有阻滞作用，存在应力集中现象，其受力始终较其他部位大，具有更好的增阻效果，其他部位受力分布较均匀且受力水平较低。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 列车制动

1.2.1 制动力

1.2.2 制动标准

1.3 列车制动方式

1.3.1 黏着制动方式

1.3.2 非黏着制动方式

1.4 国内外研究现状

1.4.1 国外研究现状

1.4.2 国内研究现状

1.5 本文研究内容

第2章 SPH 仿真计算数值方法

2.1 列车空气阻力

2.1.1 列车空气阻力形成机理

2.1.2 风阻制动板制动力控制方程

2.2 流体动力学

2.2.1 拉格朗日型的Navier-Stokes方程

2.2.2 拉格朗日型的不可压缩流体控制方程

2.3 光滑粒子流体动力学

2.3.1 SPH 方法基本方程

2.3.2 流体动力学方程的SPH 表达形式

2.3.3 SPH 流体控制方程

2.4 平面运动方程

2.4.1 刚体平面运动方程

2.4.2 质点系平面运动方程

2.4.3 风阻制动板运动方程

2.5 时间积分

2.6 本章小结

第3章SPH 数值模拟实现过程

3.1 风阻制动板模型

3.2 边界条件及计算域

3.3 SPH 仿真计算程序基本流程

3.4 SPH 仿真计算主程序

3.5 本章小结

第4章 风阻制动板气动特性规律

4.1 300km/h 运行速度工况下风阻制动板气动特性规律

4.2 不同运行速度工况下风阻制动板气动特性规律对比分析

4.3 本章小结

第5章 风阻制动板仿真计算分析

5.1 制动性能及流场分析

5.2 风阻制动板受力分布

5.3 本章小结

结论与展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的论文及科研成果