高速铁道车辆非线性稳定性的关键因素研究

摘要

高速铁道车辆动力学问题存在运动稳定性问题，远比一般的机械系统动力学问题复杂。本学位论文深入阐述了高速铁道车辆非线性稳定性问题的研究背景与意义，对高速铁道车辆非线性稳定性以及关键影响因素的研究现状进行了论述，包括轮轨滚动非线性接触几何、轮轨非线性接触蠕滑以及车辆悬挂中的抗蛇行减振器等，之后对这几个非线性问题进行了研究，并讨论它们对高速铁道车辆非线性稳定性的影响。
　　(1)改进了一种基于多项式拟合的高速轮轨接触几何计算方法，并将它的计算结果与传统的迹线法以及Adams/Rail软件RSGEO模块的计算结果进行对比。对比LMA/CHN60，CN踏面/CHN60，S1002/UIC60三种轮轨匹配计算的结果，显示使用多项式拟合方法的计算结果与Adams/Rail软件REGSO模块更为接近。同时就计算效率而言，基于多项式拟合的高速轮轨接触几何计算方法的计算效率更高。与传统迹线法相比，计算速度能提高40％左右。应用此方法计算LMA/CHN60新轮新轨和磨耗车轮匹配的高速轮轨滚动接触几何的非线性参数，并分析它们对高速铁道车辆非线性稳定性的影响。结果显示随着名义等效锥度的减小，会使得速度分叉曲线向右移动，即线性临界速度和非线性临界速度增大;而在名义等效锥度大致相同时，非线性参数对车辆非线性稳定性有较大影响，随着λN,1减小，速度分叉图中轮对的线性临界速度明显减小。此结果在现场实测数据的分析中也得到了验证。
　　(2)基于ALE的方法使用ABAQUS建立高速轮轨滚动接触有限元模型，并在计算中通过在轮轴上添加惯性力及使轮对材料沿圆周和型面方向流动的方法，实现高速轮轨非稳态滚动状态模拟计算。使用此模型计算弹性蠕滑率，与理论计算的刚性纵向蠕滑率进行对比分析。结果显示，在轮对横移时，它们的纵向蠕滑率差别较小，最大误差低于20％;横向蠕滑率差别较大，并且左轮接触斑内的弹性横向蠕滑率变化趋势明显大于右轮;在轮对横移4mm的时候，左轮的自旋弹性蠕滑率有一个明显变小的趋势。在轮对摇头时，弹性纵向蠕滑率出现了小幅的波动，弹性横向蠕滑率随摇头角增加而增大，但是超过2mrad后变化趋缓;弹性自旋蠕滑率不随摇头角变化。而使用有限元模型进行轮轨蠕滑力计算时，发现在轮对横移时，车轮的蠕滑力表现出接近KalkerCONTACT计算结果的变化趋势，车轮接触斑内横向蠕滑力分布均有正负值，从而使得横向蠕滑力发生较大变化，与Kalker CONTACT计算结果相差较大，而纵向蠕滑力误差相对较小;在轮对摇头时，摇头角增大会降低车轮的纵向蠕滑力，而横向蠕滑力会随着摇头角增加会呈现快速上升趋势。
　　(3)应用ABAQUS建立的高速轮轨滚动接触有限元模型，对于不同的工况（改变y'/v和y）进行计算，得到一系列的轮轨蠕滑力数据。在单轮对动力学非线性稳定性计算中，不再利用蠕滑率进行蠕滑力计算，而是使用有限元蠕滑力数据表直接进行动力学计算，初步探索了有限元蠕滑力计算结果在车辆非线性稳定性计算中的应用。计算结果与Adams单轮对模型仿真进行对比，结果显示两者的轮对横移量和摇头角随时间变化的响应规律一致，其RMS值差别分别为17.9％和10.1％。基于有限元计算的蠕滑力数表可以有效地应用于高速铁道车辆非线性稳定性的计算。
　　(4)通过对抗蛇行减振器结构及其工作原理的分析，利用Easy5建立描述准确且计算高效率的抗蛇行减振器非线性液压模型。该模型从抗蛇行减振器的内部结构入手，对各种阀、活塞、油腔等元件依据流体力学的原理进行建模，它可以应用于不同的减振器，可以修改不同物理结构参数。同时将此模型与车辆动力学模型结合，使用联合仿真的方法来分析抗蛇行减振器的内部参数以及不同的油液流动方向对高速铁道车辆非线性稳定性的影响。结果显示抗蛇行减振器内部参数对高速铁道车辆非线性稳定性影响很大，但是对车辆的平稳性影响相对较小;与油液单向流动式抗蛇行减振器的车辆模型相比，油液双向流动式抗蛇行减振器的车辆模型在动态响应中出现相对大的波动。因此在使用油液双向流动式抗蛇行减振器的时候，为了提高高速铁道车辆的稳定性，应该尽量提高拉伸/压缩特性的对称率。联合仿真能高效、准确地得到抗蛇行减振器对高速铁道车辆非线性稳定性的影响规律，有助于实现减振器优化设计。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的主要研究内容

2 轮轨滚动接触几何分析及其对车辆非线性稳定性的影响

2．1 轮轨滚动接触几何求解

2．2 轮轨滚动接触几何非线性参数对车辆非线性稳定性的影响

2．3 本章小结

3 轮轨滚动接触的有限元建模及其蠕滑率分析

3．1 一般接触问题的有限元求解

3．2 轮轨滚动接触特点及其有限元计算

3．3 基于ABAQUS的轮轨滚动接触轮对有限元建模

3．4 轮轨滚动接触的蠕滑率定义及刚性蠕滑率计算

3．5 基于有限元模型的轮轨滚动接触蠕滑率分析

3．6 本章小结

4 高速轮轨滚动接触蠕滑特性分析及其在非线性稳定性计算中的应用

4．1 经典滚动接触模型求解方法

4．2 Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论在轮轨滚动接触蠕滑力分析计算中的应用

4．3 基于有限元模型的轮轨滚动接触蠕滑力分析计算

4．4 轮轨滚动接触蠕滑力有限元计算结果在非线性稳定性计算中的应用

4．5 本章小结

5 抗蛇行减振器结构参数分析及其对车辆非线性稳定性的影响

5．1 油液单向流动式抗蛇行减振器内部结构及工作原理分析

5．2 油液单向流动式抗蛇行减振器液压数值模型

5．3 油液单向流动式抗蛇行减振器主要结构参数对工作特性的影响

5．4 油液单向流动式抗蛇行减振器工作特性的正交试验分析

5．5 油液双向流动式抗蛇行减振器内部结构及建模

5．6 车辆动力学联合仿真模型的建立及其验证

5．7 联合仿真结果分析

5．8 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 创新研究成果

6．3 未来展望

参考文献

作者简历及科研成果清单

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