高速列车刚柔耦合动力学仿真分析

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(1.石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 050043；2.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043)

高速列车刚柔耦合动力学仿真分析

赵义伟1，刘永强1，廖英英2

(1.石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 050043；2.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043)

研究了高速列车弹性车体对整车动力学性能的影响。为分析弹性车体对列车运行的影响，首先建立了车体有限元模型，计算了车体的模态，并生成模态中性文件将其导入VI-Rail软件，然后将柔性车体和前、后转向架子系统组装成刚柔耦合整车模型，分析了其对运动稳定性、运行平稳性、运行安全性的影响。通过与刚性车体动力学模型仿真结果的对比表明：弹性车体模型会使整车各项动力学性能指标略大于刚性车体模型。

高速列车；刚柔耦合；VI-Rail；动力学仿真

0 引言

一直以来，人们在对列车进行动力学仿真分析时，传统的方法是将车体等大型构件考虑成刚体，但是，随着机车车辆运行速度提高，作用于机车车辆与轨道结构之间的动态作用力增大，使系统动力学性态愈来愈复杂，这些现象是由于部件的大范围运动与构件的弹性变形耦合引起的，为更好地分析部件的动力学特性，更贴合实际，有必要从柔性体的角度来研究。在车辆动力学仿真研究中,刚柔耦合是具有广泛应用前景的发展方向之一。文献[1-4]建立了刚柔耦合模型并进行了动力学仿真，与刚性车进行了对比。文献[5-7]将刚性车体柔性化并进行模态分析，了解了车体固有频率及振型。文献[8]建立了柔性体，并分析了其对列车运行品质的影响。本文先建立柔性车体，并了解其振动特征，然后建立刚柔耦合模型，与刚性体对比分析其对动力学性能的影响。

1 车体模态分析

首先用Solidworks软件，建立了车体三维模型，然后将车体模型以中性文件的格式保存并导入ANSYS/workbench中，并赋予材料属性，生成网格，对其进行自由状态下的模态分析。对车体模态进行分析时取前20 阶模态，前6阶模态为刚体模态，不予考虑，可将其略去。表1为车体前7～15阶模态计算结果，其中7～10阶振型如图1所示。

表1 柔性车体7～15阶模态

图1 车体7～10阶模态振型图

2 刚柔耦合车辆模型的建立

在有限元软件中生成车体的MNF模态中性文件，节点数为257 218个，并将其导入VI-Rail软件中建立车体模板，并生成子系统，如图2所示。参照CRH2系动车组参数建立转向架模板，生成前、后转向架子系统，如图3所示。

车辆模型悬挂系统的主要参数如表2所示。

图2 柔性车体模板

图3 转向架模板

表2 悬挂系统主要参数

最后，将车体和前、后转向架子系统组装成刚柔耦合整车模型，如图4所示。

图4 刚柔耦合模型

3 动力学仿真分析对比

对刚柔耦合车辆模型进行动力学仿真分析，将仿真出的各项指标与车体为刚性的车辆模型仿真出的进行对比。在进行运动稳定性分析时，采用直线轨道；而进行运行平稳性分析和安全性分析时则采用曲线轨道。车辆首先经过950 m的直线区间，240 m的缓和曲线区间，然后在曲线半径为7 000 m，轨道超高为150 mm的曲线上行驶1 440 m，接着进入260 m的缓和曲线区间，最后在直线区间段行驶至4 000 m处。轨道不平顺激励采用德国低干扰谱。

3.1运动稳定性分析

列车在某一速度范围内运行，车体、转向架构架、轮对的蛇行运动各振型的振幅，随着时间的延续其幅值会不断地衰减，而当列车运行速度超过某一临界数值时，车辆将产生一种不稳定的蛇行运动，其表现形式为它们的振幅会随着时间的延续而不断扩大，不会衰减，这种情况即为失稳，因此，将过渡到不稳定运动时的速度称为车辆的临界速度。

在进行铁道车辆运动稳定性分析[9]时，最直接的评价指标是列车的临界速度。仿真曲线如图5、图6所示。

图5 刚性整车模型的轮对模移量

图6 刚柔耦合整车模型的轮对横移量

由图5和图6可以看出，车体为刚性车体时的车辆临界速度为289.8 m/s，车体为柔性车体时的临界速度为288.5 m/s，比前者略低。之所以会出现这种现象，是由于车体结构的弹性变形使得车辆在运行中横向运动的收敛性变差所致。

3.2运行平稳性分析

图7 车体横向加速度

评价车辆运行平稳性最直接的指标就是车体加速度。此外，为了更准确地进行评价，不仅要考虑加速度的大小，还要考虑加速度振动频率的影响。当采用考虑频率的车体加速度来评定时，各国有着不同的评价指标。现采用在国际上应用比较广泛的Sperling指标，且只考虑了车体横向的振动加速度。仿真速度为220 km/h、240 km/h、260 km/h、280 km/h、300 km/h共5个速度等级。两种车体横向加速度对比曲线如图7所示。计算出的平稳性指标如表3所示。

表3 横向平稳性指标Wy

根据表格和曲线可知，刚柔耦合模型仿真出的横向加速度及Wy略低于刚性车体模型，其中在240 km/h时的横向加速度及Wy略高于刚性车体模型，原因可能是与在此速度等级下弹性车体的振动变形有关。

3.3运行安全性分析

对刚性体和柔性体模型进行安全性仿真，分析对比了5个速度等级下的脱轨系数、轮重减载率、轮轨垂向力、轮轴横向力这4项评价指标[10]的最大值。如图8～图11所示。

由曲线图可知，通过5个不同速度等级的动力学仿真对比，柔性体在220 km/h和300 km/h时的脱轨系数要略小于刚性体，其余速度上大于刚性体；柔性体的轮重减载率要比刚性体大；在轮轨垂向力方面，除了速度为240 km/h时刚性体比柔性体大，其余速度上刚性体的要小；轮轴横向力方面，柔性体的比刚性体的略大。总的来说，柔性体的安全性要低于刚性体的安全性。

图8 脱轨系数最大值

图9 轮重减载率最大值

图10 轮轨垂向力最大值

图11 轮轴横向力最大值

4 结论

将铁道车辆中的一些部件考虑成弹性体并与其它部件组装在一起而组成刚柔耦合的动力学分析模型是今后动力学分析的方向。对此进行探索研究，在同样的工况条件下,将车辆模型中的刚性车体处理成弹性体并进行动力学仿真，结果显示：柔性车体的车辆临界速度要低，运行平稳性与刚性体相比相差不大，脱轨系数、轮重减载率、轮轨垂向力和轮轴横向力的最大值与刚性车体的最大值相比有所增加或相差不大，这是由于车体结构变形带来的影响。对刚柔耦合模型进行动力学仿真分析，这将为后续的研究奠定理论基础。

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DynamicSimulationAnalysisofRigidFlexibleCouplingModelofHighSpeedTrain

ZhaoYiwei1,LiuYongqiang1,LiaoYingying2

(1.School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China;2.School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

The effect of the high speed train elastic body on the dynamic performance of the vehicle is studied. To analyze the influence of elastic body, first of all , the FEM model of the body is established, the modal of the body is calculated, then the modal neutral file generated by ANSYS is imported into the VI-Rail software. The flexible body, the front and rear bogie frame subsystems are assembled and rigid flexible coupling vehicle model is built, and its influence is analyzed on motion stability, stable operation and operation safety. By comparing with the rigid multi-body dynamics model, the simulation results show that vehicle with flexible body has better dynamic performances than with rigid body.

high speed train;rigid flexible coupling;VI-Rail;dynamic simulation

U270.1

： A

： 2095-0373(2017)03-0043-05

2016-06-03责任编辑:车轩玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.03.09

国家自然科学基金(11227201;11472179;U1534204;11572206;11302137;11172182;11372199;11372197);河北省自然科学基金(A2015210005);河北省教育厅项目(YQ2014028)

赵义伟(1992-)男，硕士研究生，主要从事车辆动力学与控制的研究。E-mail：1240012363@qq.com 赵义伟，刘永强，廖英英.高速列车刚柔耦合动力学仿真分析[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2017,30(3):43-47.