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原文传递高速列车气动弹性系统非线性复杂响应研究

论文题名：	高速列车气动弹性系统非线性复杂响应研究
关键词：	高速列车;气动弹性稳定性;亚音速气流;准定常气动力;蛇行速度;非线性复杂响应
摘要：	本文对与高速列车相关的气动弹性问题进行了研究，主要包括:对高速列车中壁板结构气动弹性稳定性及非线性复杂响应的研究;对气动环境下高速车辆的蛇行运动稳定性、非线性响应及高速列车在运行过程中的流致振动问题的研究。本文具体研究工作如下: 　　 1.以亚音速气流中的二维壁板为研究对象，首先基于不可压缩流体的势流理论获得了作用在壁板单侧的气动力，采用微分求积法（DQ方法）分析了壁板系统的稳定性。然后考虑气流的可压缩性，对非定常扰动速度势方程和壁板运动控制方程同时进行DQ方法离散，分析了简支壁板的失稳问题。计算结果表明，采用DQ方法可以较好的分析亚音速壁板的失稳问题。亚音速气流中壁板的失稳特性与其边界条件有关:两类端部固定的壁板（对边简支及对边固支壁板）均发生了发散失稳而并未出现颤振失稳;对边固支壁板的失稳临界动压要大于对边简支壁板;一端固支一端弹性支承的壁板出现了颤振失稳，颤振临界动压与系统参数有关。　　 2.以亚音速气流中的粘弹性二维壁板为研究对象，考虑壁板的几何大变形非线性因素，采用Galerkin方法求解了势流方程获得了离散的气动力表达式，对线性系统稳定性及非线性受迫系统的分岔结构进行了研究。计算结果表明，本文研究的壁板未出现颤振失稳而仅出现了发散失稳。在超过发散临界动压后，壁板系统平衡点的个数及其稳定性均会发生变化，混沌区的分布呈现出非对称的双峰结构。系统存在多个混沌运动及周期运动区，混沌运动区与周期运动区交替出现，单周期运动区的分布具有标度特性。在不同的周期运动区域内，系统运动的轨线也在有规律的变化。系统单周期运动进入混沌的路径是倍周期分岔，在进入混沌运动区之前会首先会发生对称性破坏分岔。　　 3.以简谐激励作用下中部受非线性约束的亚音速气流中的二维壁板为研究对象，采用Galerkin方法对运动控制方程进行离散，研究了该壁板系统的稳定性、非线性分岔及复杂响应。计算结果表明，本文研究的壁板未出现Hopf分岔（颤振）而出现了叉式分岔（发散），来流动压超过临界值后导致系统产生的多平衡点的结构对系统响应有着重要影响。系统的混沌运动区与周期运动区交替出现，单周期运动的相轨线也在有规律的变化，混沌区内存在如周期3、周期5、周期7、周期9等多个周期窗口。系统由周期运动进入混沌运动是经过倍周期分岔产生的，而由混沌运动进入周期运动则是阵发性的。　　 4.以考虑几何大变形因素的亚音速二维粘弹性壁板为研究对象，采用Galerkin方法对运动控制方程进行离散，研究了系统在弱周期激扰下的混沌运动。应用Melnikov方法分析得到混沌运动出现时系统参数需要满足的临界条件，并利用Melnikov方法计算得到控制混沌的条件并成功对系统的混沌运动实施控制。计算结果表明，当来流动压超过临界值后，无扰的Hamiltion系统平衡点的个数和稳定性均发生变化，系统会出现同宿轨道。考虑周期扰动时，系统出现Smale马蹄意义下的混沌。对混沌系统添加了某些敏感参数以提高新系统发生混沌运动的临界参数值可以达到控制系统混沌运动的目的。　　 5.以考虑几何大变形因素的二维粘弹性壁板为研究对象，研究了壁板系统在脉动气动力及简谐激励作用下的稳定性及非线性响应。将壁板表面受到的亚音速气动力分解为简谐振动气动力及脉动气动力两部分，脉动气动力采用Gauss白噪声，运用Galerkin方法对运动控制方程进行了离散，依据It(o)方程推导出系统的矩方程并分析该矩方程的稳定性及复杂响应。计算结果表明，矩方程的分岔点与未考虑气流脉动的系统的分岔点是一致的，矩方程会出现叉式分岔。矩方程的混沌区与周期运动区随参数的变化交替出现，系统由单周期运动进入混沌运动的路径是倍周期分岔。　　 6.以亚音速气流中的三维粘弹性壁板为研究对象，考虑壁板中的几何非线性环节，采用Galerkin方法求解了势流方程获得了离散的亚音速气动力表达式，分析了三维壁板的稳定性及其非线性受迫振动。计算结果表明，本章研究的壁板未出现颤振失稳而仅出现了发散失稳。非线性壁板在气动力及外激励的作用下呈现出非常复杂的动力学行为，系统存在对称性破坏分岔、鞍结分岔、倍周期分岔、倒置的倍周期分岔等多种分岔现象。对称周期运动在进入混沌运动之前会发生对称性破坏分岔，系统的混沌运动区与周期运动区相间出现，系统混沌运动中存在周期3、周期5、周期7、周期9等多个周期窗。周期运动通向混沌的道路不都是倍周期分岔，还有拟周期道路和阵发道路，而由混沌运动进入周期运动主要是经倒置的倍周期分岔或阵发性的。　　 7.以高速车辆为研究对象，基于准定常气动力理论分析了气动力对车辆蛇行临界速度及曲线通过性能的影响，研究了在气动力和轮缘力联合作用下系统的非线性响应。然后以三辆客车编组的高速列车为例，数值计算得到了作用在列车车体上的气动力并通过数值仿真模拟了在气动力作用下的列车动力学响应。计算结果表明，当车辆二系横向刚度较小时，气动力对车辆蛇行临界速度有较大的影响。高速车辆曲线通过时，气动力增大了车体摇头位移和横向位移，但对轮对的横向位移无明显影响。气动力改变了非线性车辆系统极限环的运动行为，降低了系统失稳速性并改变了系统的失稳特征。高速列车明线等速会车时，气动力对车辆系统的动力学响应有显著影响，其中头车和尾车运动响应最为显著。会车速度越高，车辆系统的运动响应越剧烈。具有不同蛇行速度的车辆在会车时的运动响应有明显不同。高速列车在横侧风中运行时，横侧风对车辆系统的动力学响应有重要影响，其中头车的运动响应最为显著，其次为中间车和尾车。相同横风风速下，列车运行速度越高，车辆系统的运动响应越剧烈。相同的列车运行速度下，横侧风风速越大，车辆系统的运动响应越剧烈。具有不同蛇行速度的车辆在横侧风中的运动响应有明显不同。
作者：	李鹏
专业：	流体力学
导师：	杨翊仁
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文