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原文传递高速列车柔性车体系统动力学研究

论文题名：	高速列车柔性车体系统动力学研究
关键词：	高速列车;柔性车体;动力学性能;结构阻尼;弹性振动
摘要：	随着我国高速铁路的快速发展，对高速列车的核心技术和制造工艺提出了更高的要求，同时对列车运行时各项动力学指标的要求也更加严格。动车组的高速性要求其设计轻量化，但是目前大部分高速列车车体采用的中空铝合金材质会使车体局部或整体的刚度降低，导致车体振动的主频范围增大，从而容易被高频激扰引发弹性共振，并且车体的一阶垂向弯曲振动频率与人体敏感的低频共振区极为接近，进而影响了旅客乘坐的舒适性和运行的安全性。以往的研究中，车体常被视为刚体结构，且多以单节车辆为主，假如将车体考虑为柔性体，同时考虑车端连接装置对车辆在纵横垂三个方向上的影响，则能够满足研究中车体结构自身弹性振动以及相邻车辆间耦合作用对高速列车运行稳定性以及安全性的影响，使理论研究更加符合实际。因此，本文建立基于柔性车体的单节和三节车动力学模型，对高速列车运行时车辆系统的动力学性能问题进行了系统研究。　　本文以CRH2型动车组为研究对象，将车辆的各部件及钢轨都视为刚体，对车辆各部件间及轮轨间的接触关系的数学模型进行简化，建立了42个自由度的多刚体单节车系统动力学模型。在此基础上，将三节车辆组成一个列车单元，建立多刚体三节车动力学模型。其中，将车体视为由车端牵引梁和加强底架组成的箱型薄壁简支梁结构，在ANSYS中对车体进行结构应力分析，使用Lanczos方法和Guyan缩减法分别对车体有限元模型进行模态分析和子结构分析，生成包含车体柔性信息的文件，通过SIMPACK接口程序FEMBS完成柔性车体的建立;在SIMPACK中用柔性车体替换刚性车体，并将柔性车体上的标志点与刚性行走部上的力元耦合，进而建立了多刚体单节车、刚柔耦合单节车、多刚体三节车和刚柔耦合三节车四种车辆的动力学模型。假定高速列车以在直线轨道上运行，选取不同的时速及制动等几种典型的工况，对上述四种模型的车辆运行舒适性、安全性以及车体自身的振动特性等进行系统的研究。　　研究结果表明:刚性车体在2.5Hz附近的共振对车辆运行平稳性的影响较大，柔性车体在2.3Hz、3.3Hz和10Hz附近的振型对车辆运行平稳性的影响较大，柔性车体的结构阻尼能明显衰减车体的纵向振动。在单节车辆模型中，柔性车体在横向和垂向上的振动大于刚性车体，当模型以250km/h高速运行时，两种车体的振动特性近似。在三节车模型中，中间车运行平稳性较好，头车较差;其中，高速列车采用的密闭式车端连接装置在列车高速运行时具有较强的耦合作用，能够抑制刚性车体在横向和垂向上的振动，提升了多刚体三节车模型的运行平稳性;同时抑制了柔性车体在2.3Hz附近的一阶横向弯曲振动，进而提升了刚柔耦合三节车模型的横向运行平稳性，但是增大了柔性车体在2.3Hz和3.3Hz附近的垂向弯曲振动，导致刚柔耦合三节车模型的垂向平稳性较差，其中中间车的垂向振动最大。在常用制动和紧急制动的仿真中，高速列车在正常工况下能充分满足旅客乘坐纵向舒适性和安全性的需求，柔性车体考虑了结构阻尼，能够衰减车体的弹性振动，因此采用柔性车体分析车体的纵向平稳性时比刚性车体更具优势。
作者：	彭飞
专业：	车辆工程
导师：	石广田;王志文
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文