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原文传递高速列车地面效应及其对设备舱疲劳损伤影响研究

论文题名：	高速列车地面效应及其对设备舱疲劳损伤影响研究
关键词：	高速列车;地面效应;气动载荷谱;设备舱;疲劳损伤
摘要：	列车作为贴地运行的长大物体，地面效应的影响显著，而且随着列车的不断提速，这一影响日益突出。车下气流在列车和地面的干扰及狭小空间约束下，受不同运行工况的影响，呈现非常复杂的流场特征及变化规律。作用到列车结构上的气动载荷则随运行速度提高而显著增大，不仅制约车速的进一步提高、影响乘坐舒适性和运行平稳性，还会造成轨道和列车结构的击打破坏及疲劳损伤，危及行车安全。因此，有必要对列车绕流进行深入研究，并分析气动载荷对列车结构强度的影响。　　本论文首先对比分析了不同数值模拟方法在列车绕流计算中的适用性，研究了阻塞比和雷诺数对不同气动参数的影响。在此基础上，建立了单车明线运行、单车过隧道、明线交会三种运行工况的数值模型，全面分析了列车气动力特性、流场结构和表面压力分布规律。最后，编制设备舱的气动载荷谱，并进行了裙板的疲劳损伤分析。主要研究内容归纳如下: 　　1.利用雷诺平均模拟（RANS）和大涡模拟(LES)两种方法对列车绕流进行数值模拟，通过对列车阻力、列车表面压力分布及列车尾涡结构等的稳态与瞬态对比分析，得到了两种方法在列车绕流特性研究中的结果差异和适用性。通过权衡计算精度与计算资源要求，后续的列车瞬态绕流研究选择了RANS与LES结合的延迟脱体涡模拟方法(DDES)。　　2.建立具有不同阻塞比和雷诺数的列车绕流模型，从多个气动参数角度分析阻塞效应和雷诺数对列车绕流的影响规律。结果表明不同的气动参数对阻塞比和雷诺数的敏感度也不同，为风洞试验以及数值模拟中选择合适的阻塞比和雷诺数提供了依据。　　3.基于三维瞬态延迟脱体涡模拟方法，结合滑移网格技术，分别建立列车单车明线运行、单车隧道运行及明线交会运行的数值模型，研究其地面效应影响规律。通过对不同运行工况下整车气动力、速度场和压力场进行深入分析，得到其时域和频域下的特征及变化规律。结果表明，单车通过隧道和明线交会工况下的气动特性比单车明线运行要恶劣的多。此外，研究了列车头型和长度对气动参数的影响，可更全面地分析列车绕流的流动机理。　　4.分析了不同运行工况下的列车表面气动压力分布规律，确定了设备舱结构承受气动载荷的关键部位，并对关键部位的载荷特性进行了时域和频域内的分析。对不同工况下得到的气动载荷以雨流计数法进行编谱，得到了不同工况下的“样本载荷谱”。　　5.基于有限元方法对裙板进行强度分析，以准静态法确认疲劳损伤关键点及其载荷传递系数。根据计算得到的“样本气动载荷谱”，依据传递系数得到关键部位的结构“样本应力谱”，以武广高铁为例，对“样本应力谱”进行组合与扩展，并基于Miner累积损伤法则计算气动载荷对裙板造成的累积损伤。结果表明，本文中所研究的气动载荷单独作用不会造成裙板在寿命内的破坏。
作者：	刘业博
专业：	车辆工程
导师：	刘志明
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文