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原文传递车辆轨道耦合系统中的旋转柔性轮对建模研究

论文题名：	车辆轨道耦合系统中的旋转柔性轮对建模研究
关键词：	车辆/轨道耦合系统;柔性轮对;建模方法;旋转效应
摘要：	城市的发展、人民生活水平的提高离不开便捷的交通，而铁路车辆的提速正是解决公路交通拥堵的有效手段。然而车辆速度的提高受到多方面条件的限制，因为速度的提高会引发更大噪声以及恶化轮轨表面状态，对轮轨振动、噪声及轮轨非均匀磨耗等中高频现象形成和发展的研究迫在眉睫，因此，建立能够研究此类问题的车辆/轨道高频刚柔耦合动力学模型成为了解决该类问题的关键。本文建立的能够考虑旋转效应以及中高频结构柔性的轮对模型为解决这类问题提供了理论基础。　　由于问题研究的复杂性，按由易到难、从简到繁循序渐进的方法，本文对轮对的柔性建模分为三个部分进行。　　首先，为分析轮对车轴前几阶弯曲影响，车轴模拟为Euler-Bernoulli梁，左右车轮被模拟为固定在车轴上的刚体，基于Euler-Bernoulli梁弯曲振动理论建立了在平行轨道平面和垂直轨道中心线平面内的车轴弯曲振动方程。利用模态叠加法进行求解，其中的关键在于计算在此约束条件下的车轴弯曲模态。之后，建立了与该柔性轮对模型相适应的轮轨空间接触几何模型，即考虑了车轴弯曲对轮轨接触关系的影响。车轴变形后，基于左右车轮所在的横截面（或车轮滚动圆面）始终垂直于车轴的假设，确定左右车轮的空间位置，这是此接触模型的关键。　　其次，为分析更高频率的轮对柔性特征，建立了轮对的有限元模型，得到固有频率为中高频域的轮对模态，建立轮对的柔性变形方程，考虑除车轴弯曲之外的车轮伞形模态（车轮腹板轴向模态）、车轮多节径模态等高频柔性变形。同样，为描述这些轮对柔性变形对轮轨接触空间几何关系的影响，建立了相应的轮轨接触计算模型。由于固有频率在5000Hz以内的轮对柔性模态存在一个共同的特点，即车轮轮辋区域沿车轮直径剖面轮廓始终不变，因此，引入虚拟刚性轮对，把柔性轮对与钢轨接触问题转化为虚拟刚性轮对与钢轨接触问题，那么虚拟刚性轮对空间运动情况的确定成为解决问题的关键。　　最后，建立了能够考虑轮对旋转效应的柔性轮对动力学模型，本文在欧拉坐标系中利用拉格朗日方程和模态叠加法建立并求解轮对的运动方程，此坐标系不随轮对的旋转而旋转。在此坐标系中能够更加方便的描述不随轮对旋转的空间点的运动情况，有利于简化计算运动方程中的系数矩阵。在此建模中的难点在于计算运动方程的系数矩阵。　　分别把这三种轮对模型放入到多刚体车辆/有砟轨道耦合动力学系统中，这样就达到了拓宽动力学系统分析频率范围的目的。文中利用轨道随机不平顺激励和简谐不平顺激励，通过对比分析刚性轮对、忽略旋转效应的柔性轮对和旋转的柔性轮对的轮轨力和轮轨接触点的横向位置变化，来确定轮对的柔性及旋转效应对轮轨动力学行为的影响。由结果对比分析可知，相对轮轨垂向力，轮轨横向力受轮对柔性影响更敏感。在柔性模态被激发时，对称弯曲模态比反对称弯曲模态对轮轨横向力和轮轨接触点横向位置变化影响更大，对称伞形模态比反对称伞形模态对轮轨横向力和轮轨接触点横向位置变化影响更大;相对于刚性轮对，柔性轮对的轮轨接触点横向位置才能较明显体现出垂向不平顺激励的影响。对于旋转效应的影响，旋转速度越大导致固有频率分叉得到的等效固有频率相差越大，当激励频率与分叉后的等效固有频率接近时，将会体现出模态被激发引起的对轮轨横向运动行为的影响，相对不考虑旋转效应轮对模型和刚性轮对的计算结果来说，这种影响较大。因此，在高速下运行的车辆，旋转效应对轮对固有频率的影响不能忽略，避免轮轨不平顺激励频率接近分叉后的等效轮对固有频率。　　与实测多边形磨耗激励结果对比可知，旋转柔性轮对模型的动力学模型能更真实的反映高频激励对动力学行为的影响，对分析高速车辆/轨道高频耦合动力学行为预测分析提供了理论工具。与采用刚性轮对模型的声辐射预测结果对比可知，采用刚性轮对模型将低估轮对声辐射。
作者：	钟硕乔
专业：	载运工具运用工程
导师：	金学松
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文