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原文传递通过道岔时转向架结构振动与动态应力分析

论文题名：	通过道岔时转向架结构振动与动态应力分析
关键词：	转向架构架;列车;铁道车辆;道岔;线路;结构振动;动应力;弹性体;多体系统
摘要：	铁道车辆的动态性能强烈地依赖于所运行的线路条件，而在道岔上运行则被视为最恶劣的线路工况。车辆通过道岔时，车轮和道岔间会产生大的冲击载荷，虽经一系悬挂的衰减，但构架依然承受着较大的动态载荷作用。随着车辆结构轻量化的发展，可能造成车辆结构，尤其是关键走行部件—转向架构架的振动和疲劳问题，严重影响列车运行的安全性和可靠性。本论文基于多体系统(MBS)动力学和有限元(FE)分析方法，采用相应的分析软件SIMPACK和ANSYS，结合CW-200型高速客车转向架的结构、悬挂系统定位方式和道岔的结构特点等，进行了旨在车辆通过道岔时，转向架构架结构振动及其动态应力响应变化规律的研究和分析。研究建立了道岔区域不同钢轨横断面外形几何学描述，建立了车轮轮缘踏面外形和车轮轮背外形几何学描述。研究分析了车轮通过道岔过程中，轮轨接触几何学关系变化、多点接触现象以及轮轨相互作用的模拟。应用弹性梁理论和等效钢轨轨枕质量块方法，研究建立了三种不同类型的弹性和刚性线路模型。研究分析了弹性体在多体系统中的运动学描述。研究利用d’Alembert原理和Jourdain虚功原理，通过Rayleigh-Ritz方法表示弹性体变形，推导得出了弹性体在多体系统中的运动方程形式，推导得出了基于模态法表示的弹性线路模型。研究分析了有限元与多体系统分析软件之间的数据传递，采用标准输入数据(SID)完成FE法计算的弹性体结果数据转换到MBS程序的数据格式转换。通过合理的划分单元和选择单元类型，研究建立了转向架构架有限元模型(称完整模型)并计算分析了构架的弹性模态。研究了通过FE法获取描述弹性体特征信息并应用于多体系统中的处理分析方法。研究了采用超单元分析法对完整转向架构架有限元模型进行缩聚，将其按主自由度进行缩减，使其适宜于多体系统的建模和动态响应的分析研究之用。用FE法模拟表示转向架的弹性体构架，首次研究建立了对应三种不同线路模型的车辆/道岔线路三种多体系统的数学模型。通过对比三种多体模型转向架构架结构振动和动应力的仿真结果，并与线路试验结果进行对比分析后得出：在通过道岔这类特殊线路时，由于存在冲击，不考虑线路弹性的计算结果偏大，而周期弹性线路模型和相对简化的等效均匀弹性线路模型均可取得令人满意的结果和精度。采用弹性构架及弹性车体，首次建立了对应等效均匀弹性线路模型的车辆/道岔线路多体系统数学模型。研究对比了通过道岔时，刚性车体及弹性车体对转向架构架结构振动和动态应力的影响。研究结果表明，对于单节车辆多体系统模型，考虑车体弹性对转向架构架的结构振动和动态应力响应的影响不大。基于单节车辆/道岔线路多体系统模型，考虑线路弹性和弹性构架，首次建立了分别对应刚性车体和弹性车体的二种列车/道岔线路多体系统模型。计算分析了列车通过道岔过程中各车转向架的结构振动和动态应力，以及各车之间的相互影响。研究结果表明：在通过道岔过程中，由于列车中各车辆间的相互影响、作用和约束，导致了列车中各车构架的动态应力存在者较大的差别、变化规律各异；与单节车辆模型计算结果相比，列车模型中各车构架的动态拉和压应力均产生了不同程度的增加，其中，尤以中间车增加最大，头车次之，尾车则增加的十分有限。对比刚性和弹性车体对列车多体系统模型的影响并与线路试验结果进行对比后可知，刚性车体列车模型中各车转向架构架动态应力计算结果明显大于弹性车体列车模型的计算结果，而弹性车体列车模型的计算结果则十分接近线路试验结果。说明在建立列车多体系统模型时，应考虑车体的弹性。关于车辆通过道岔时，对多体系统模型计算步长(对应于构架动态应力计算的采样频率)的研究分析认为，为保证对转向架构架动态应力的准确计算，应采用100HZ的计算步长(采样频率)为宜，高于100HZ的计算步长将是不经济实用的，而低于100 HZ的计算步长又可能导致计算结果精度的降低。论文最后建议，在进行通过道岔运行时转向架构架结构振动和动态应力的仿真分析过程中，为全面分析理解转向架构架结构振动的性能和特征，应以同时计算分析单节车辆模型和列车模型为佳，其中单节车辆模型主要用于一般性的校核分析，而列车模型可作为进一步的研究分析之用。
作者：	金新灿
专业：	车辆工程
导师：	孙守光
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文