基于气动载荷的高速列车多刚体系统动力学性能研究

摘要

在科学技术的支持下高速列车的运营能力越来越强，速度也越来越快，于是有很多在低速度时被忽略的问题随着运营速度的提高而越来越尖锐不得不去面对和解决，其中高速列车的空气动力学问题显得尤为突出，已经直接影响到了整个列车系统的动力学性能，甚至影响到安全性、稳定性、舒适性等重大问题。因此研究高速列车的空气动力学问题，了解和掌握不同行驶环境下列车周围的流场结构及气动特性，进而研究在气动载荷作用下对列车整车系统的动力学性能造成的影响是十分必要的。本文以某型 CRH“和谐号”高速列车为对象，将列车空气动力学与多体动力学相结合，主要进行了如下工作：　　1.利用三维建模软件CATIA建立三车编组的1:1CRH动车组几何模型（未考虑转向架和受电弓，等细小部件），利用流体数值模拟软件 STAR-CCM+分别研究了高速列车在无横风作用持续加速行驶工况的瞬态气动特性和列车以高速行驶受到不同风速横风作用时的稳态气动特性，总结了气动力随车速和横风速度的变化规律，展示了列车周围流场结构和车身表面压力分布特征，介绍了涡流的演变和发展，记录了各工况下的气动力数据。　　2.在多体动力学软件 SIMPACK中建立相同三车编组的 CRH动车组多刚体动力学模型，分别针对无横风和有横风工况制定了不同的气动载荷加载方案，对于无横风工况采用MATLAB与SIMPACK联合仿真技术，对于有横风工况汇编函数，实现了列车空气动力学到多体动力学的单向耦合。　　3.在上述工作基础上，对比研究了无横风工况下列车持续加速过程中考虑和不考虑瞬态气动阻力时的列车动力学特性，给出了重要部件响应结果时域图和频域图，分析了列车动力学行为，指出气动阻力加载造成的影响。针对有横风工况研究了横风作用下列车安全性问题，结果表明：脱轨系数和轮重减载率最大值一般随着车速和横风风速的增大而增大，尤其体现在头车，横风作用下头车安全隐患最大，最后给出了列车在横风环境下行驶最大安全速度的确定方法。　　本次研究为高速列车空气动力学和多体动力学的耦合研究提供了重要参考，对列车提速方案的制定，运营线路的规划，确定列车运营最高安全车速和最大安全横风风速等具有重要意义。

目录

声明

1 绪论

1. 1 研究背景及意义

1. 2 国内外研究现状

1. 3 本文主要研究内容

2 高速列车气动特性研究的理论基础

2. 1 流动的基本控制方程

2. 2 湍流的数值模拟基础

2. 3 本章小结

3 高速列车气动特性研究

3.1 列车模型及仿真条件的确定

3. 2 无横风加速行驶条件下的气动效应

3. 3 横风作用下匀速行驶条件下的气动效应

3. 4 本章小结

4 高速列车多刚体系统动力学模型搭建

4. 1 多体系统动力学发展历程

4. 2 计算多体动力学仿真软件简介

4. 3 高速列车多刚体动力学模型建模

4. 4 本章小结

5 气动载荷作用下的高速列车动力学特性研究

5. 1 列车运行安全指标简介

5. 2 联合仿真下气动阻力对整车动力学性能的影响

5. 3 横风作用下气动载荷对列车安全性的影响

5. 4 最大安全速度的确定

5. 5 本章小结

6 全文总结与展望

6. 1 全文总结

6. 2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果