基于SIMPACK和ANSYS的轮轨激振对高速列车车体动力学性能研究

王发刚　胡士华

摘 要：我国高速列车最高运营时速达350km/h，是世界上高铁运营时速最高的国家。高速列车运行时速达到300km/h时，列车车体就会受到强大的空气压力，并且百分之八十的牵引力用于克服空气阻力。因受到空气强大的压强影响，铝合金车体必须具有强大的强度和刚度，刚度和强度过低必然会导致铝合金车体的受空气的压迫导致变形或者压扁，给行车安全带来极大的安全隐患。交通强国，铁路先行。铁路作为国民经济的大动脉，铁路的发展关乎着国民经济的发展。高铁已成中国一道亮丽的名片，不容有安全隐患，所以在试验时必须反复检查，把隐患消除在摇篮里。本文利用ANSYS软件研究高速列车车体动力学，分析评价方法，并优化参数。

关键词：高速列车车体 评价方法 优化参数

1 引言

新中国成立以来，我国国民经济快速快发展，由一穷二白的国家发展成为经济体量第二的大国，我国综合实力不断增强。我国经济的快速发展离不开交通运输的快速发展。交通强国，铁路先行。铁路是我国经济发展的主动脉，国民经济的发展又为铁路的发展提供更多的经费支持。随着我国科技的发展，运输行业的科技含量与技术手段也得到快速提高与应用，也为交通运输行业更加安全合理运行提供保障，安全、高效和合理的运行为我国国民经济又好又快发展提供源源不断的动力。铁路客运快速化、安全化，货运重载化发展为中国铁路发展的目标，同时也对线路平总断面的设计标准和平顺性的要求也越来越高，对车体的钢度，封闭性的要求也越来越高。高铁作为中国一张靓丽的名片，对推动国家现代化和提升中国国际地位具有重要战略意义。在中国高铁技术如火如荼发展的背景下，旅客的要求也会发生转变，安全、快速不在满足旅客的要求，乘坐的舒适性和车体性能品质也成为重要的因素之一。由于高速列车在轨道上运行，轮轨间的作用力会产生高频振动，会通过轮对、一系悬挂、转向架、二系悬挂传递到车体，会造成车体振动，影响乘客乘坐的舒适性，危及行车安全性，同时也会使车体零部件产生疲劳失效等问题。因此，研究消除车体系统中的弹性影响，成为各国研究研究的热点。

2 高速列车车体强度研究概况

2.1 系统动力学发展概况

列车在轨道上行驶时，列车和轨道线路共同构建一个庞大的系统，组成系统的各部分之间相互联系相互作用，系统结构中各部分会受到振动受到力的作用并且产生位移，包括列车与轨道线路，机车与车辆以及车辆与车辆之间的彼此作用。车辆系统动力学就是研究分析这些力和位移变化规律的学科。响应问题和稳定性问题是研究分析车辆动力学研究两大关键问题。

科技革命以来科学技术发展迅猛，应用领域越来越广。随着计算机技术应用分析车辆动力学技术越来越成熟，推动着车辆动力学的发展。多复杂的数学模型都可以运用计算机技术建模求解分析。科技的进步推动这分析车辆动力学软件的发展，目前一些国家的公司相继开发出研究车辆动力学性能软件，如美国的NUCARS和 ADAMS/Rail、德国的MEDYNA和SIMPACK，英国的VAMPIRE和法国的VOCO等。

铁路客运快速化，货运重载化是各国铁路发展的共同目标。目前，我国高速铁路最高运营时速达350km/h，是世界上铁路运营时速最快的国家。未来，我国中长期目标是发展时速1000km/h和2000km/h高速列车，远期目标是发展时速达4000km/h的高速列车。随着运行时速不断增加，车轮和轨道间的振动会随着速度增加而加剧，严重影响列车运行的安全性和旅客的舒适性，同时也会使列车的零部件产生变形等。车辆运动学分析中以往是将车体作为刚性系统来处理，没有将弹性变形考虑在内。以上分析的这些问题，给车辆系统动力学分析带来考验和挑战。

2.2 多体系统动力学发展概况

共同组成系统的物体之间存在相对运动，由各相对运动的物体组成的系统就成为多体系统。组成多体系统的各物体之间会存在大范围的相对运动，他们之间的相互连接的拓扑结构和约束类型也是复杂多样的。多体动力学主要研究多刚体系统动力学和多柔性体系动力学两个发面。经过多年的研究和实践，多体系统动力学均应用到机械制造、车辆和航空航天等工程领域。

多体系统动力学起源于上世纪六十年代，是由Likng 、Roberson等人提出来多敢提系统动力学发展而来。多刚体系统动力学第一次研讨会在上世纪七十年代召开，会议胜利召开标志着多刚体模型的创建方法等已基本获得。多刚体的内容不断丰富和延伸，逐步发展称为“多体动力学”。上世纪九十年代，随着科技革命的到来，计算机技术得到迅猛发展，应用领域越来越广，越来越多软件的公司开发研究多体力学软件。随着研究的不断深入，多体力学软件应用范围越来越广，使用越来越便捷，模块化程度越来越高。越来越多的工程师在开发和设计新产品时用这些多体软件进行设计、优化时，不仅可以使用方便、节约时间，而且可以极大降低成本。

中国多体研究起步比西方发达国家晚，开始与上世纪80年代，但是随着我国科技的发展，多体动力学研究取得很多新的理论方法和工程应用成果。第九届多体系统动力学会议在武汉召开，会议研讨了多体动力学学科和航天动力学学科交叉互动，多体动力学开始在航天动力学领域应用，进一步扩展多体动力学的应用范围。

2.3 高速列车车体强度研究简介

高速动车组的车体强度研究主要是研究高速列车的静强度分析。世界各国对车体的强度和剛度的标准也不同。吴丹采用不同的国际标准进行分析高速列车动车车体强度，通过对不同的标准进行分析，得到了不同的国际标准的适用范围和不同标准的优缺点。分析高速列车车体强度和车体疲劳损伤，刘辉等人采用了有限元的分析方法获得车体承受最大应力的部位。设计高速列车车体结构，赵士忠等人利用有限元分析的方法，通过ANSYS软件分析计算在HyperMesh建立的高速列车模型，为设计和优化动车组车体结构提供了极高的参考价值。通过进行载荷试验，KiHwan KIM、Choon PARK得到了高速列车车体疲劳强度只通过静强度试验分析是不够的，还需要进行疲劳强度试验。对于检验高速列车车体设计是否合理，张志华等人利用ANSYSA软件分析计算合理简化的高速列车车体的结构，根据不同的工况对车体结构加载不同的载荷，分析计算得到车体在不同载荷时的最大等效力以及车体的变形。车体设计是否合理通过比较相应标准得出。

3 高速列车车体建模

3.1 有限元法简介

有限元法是将一个连续的整体，划分为多个离散的单元，通过计算分析这些离散单元，然后再将这些离散的单元重新组合代替原来的整体结构，从而得到这个整体结构的近似数值解。有限元法相当于把一个复杂的整体结构划分为多个有限单元，减少计算分析量，并且利用有限元法可有效快速解决物理、工程机械等领域问题。

随着科学技术的发展，计算机辅助工程系统伴着计算机技术的发展而迅猛发展，日趋完善并且计算分析能力越来越强大，应用领域越来越广。有限元法是计算机辅助工程系统中应用领域最广，计算功能最强大的方法。并且具有较强的灵活性、适应性和适用性。有限元法拥有三个分析步骤，分别是有限元前处理（有限元建模），有限元分析计算以及有限元后处理（提取方针结果并进行分析，获取有效信息）。

3.2 ANSYS软件简介

ANSYS功能日趋强大，计算能力越来越强。目前已成为有限元分析软件中应用最广泛的软件。ANSYS软件可以分析声场分析、结构非线性分析、静力分析和热分析等类型，具有稳定和强大的分析结构。有限元常设计的领域有静力分析、模态分析和屈曲分析等结构分析领域。利用ANSYS软件分析分析有限元时，分析的结果除了位移值，其余分析的结果都是节点位移的派生值。检车ANSYS软件分析有限元的结果是否正确只要检查位移值是否正确，如果位移值无误则计算的结果无误。ANSYS软件分析有限元，可以极大减少设计的成本，简化设计步骤，从而减少设计的时间。

3.3 高速列車有限元模型的建立

铝合金车体具有强度大，质量轻等优点，我国高速列车车体采用铝合金车体，铝合金车体也是高铁九大关键技术之一。利用ANSYS软件分析高速列车题的动力学性能，必须要建立高精度的高速列车车体的有限元模型。由于高速列车的车体是一个庞大而复杂的结构，建立与实际车体完全一致的模型困难度极大，工作量极大，极大增加控制网格节点数目的困难度，同时也会增加软件的计算分析工作量，对分析结果的精确度也会随着下降。在处理高速列车这种大型复杂结构时，建模时要适当进行简化。但是不能随意进行简化，简化的基本原则是保证主要力学特性，具体的简化程度与分析目的有关。分析高速列车车体动力学时，简化建模如下：（1）高速列车车体结构简化；（2）非承载件进行省略；（3）对倒角和细小的进行简化；（4）高速列车车体构架表面进行光顺化。

4 列车动力学性能参数分析

4.1 高速列车车辆动力学性能评定

我国地大物博，风景秀丽，山川地形复杂，修建高速铁道时不可能修建成水平的线路，总是存在一定的坡度，所以在修建铁路时，各国都在想方设法减少坡度。国外的修建方法是将坡度高的地面挖低，将地势低洼的地点填平。我国建造方式为架桥，即线路修建为桥隧形式，与国外修建方式相比可以降低修建成本，同时也可以节约土地资源。但是由于高速列车自身的结构特点，高铁线路存在一定的坡度和弯度，列车在在线路上运行时，由于车轮和线路之间的相互作用力，列车会产生多种不同的类型的轨道不平顺，由于轮对与构架通过一次悬挂连接，轨道不平顺会经轮对传递到转向架构架后通过二次悬挂最终传递到车体，引起高速列车车体产生高频振动。组成车体的各部件也会由于车体的高频振动产生不同形式的振动，各零部件间会产生一定的加速度或者位移。在判定高速列车动力学性能时，不仅仅考虑轨道和轮对之间的作用力和线路不平顺两点因素以外，还需考虑车体的自身结构特点和动力学参数。在研究车体的动力学性能时，通常把高速列车车体看作刚体。刚体的弹性形变与悬挂系统相比，刚性的弹性形变远远小于悬挂系统。GB/T5599-1985《铁道车辆动力学性能和试验鉴定规范》是我国铁路客车和货车进行动力学仿真分析的参照标准。根据参照标准，进行高速列车车体的动力学仿真分析时，主要考虑：（1）机车车辆发生蛇行运动临界速度；（2）机车车辆通过曲线时的性能指标；（3）机车车辆在直线运行时的最大加速度平稳性性能指标。

4.2 评价方法

4.2.1 机车车辆蛇行运动稳定性评价方法

机车车辆轮对踏面成锥形，机车车辆在轨道上运行时，轮对踏面与钢轨存在间隙，轮对中心偶尔出现偏离回到中心时，机车车辆轮对便以不同的滚动元在轨道上滚动，轮对中的一个轮作横向摆动，另一个轮对绕其质心的垂直轴来回转动，从而产生类似蛇形的运动。机车车辆在轨道上发生蛇形运动时，会发生蛇形失稳的现象。模拟机车车辆发生蛇形失稳现象时，可用多自由度整车系统来进行模拟。微积分矩阵方程如下：

[M]{x·}+C（x+x·）+K（x，x·）=0

式中[M]质量矩阵

C（x+x·）-阻尼力

K（x，x·）-悬挂弹簧力

x-状态向量

4.2.2 车辆直线运动性能评价方法

旅客乘坐的舒适性是我国高铁考核的一项重要指标。高速列车运行的平稳性直接影响旅客乘坐的舒适性，列车加速度的大小是影响列车运行平稳性的重要指标。所以，旅客乘坐高速列车的舒适性可以采用加速度来评价。此外，由于轮轨间的相互作用产生的高频振动经转向架传递到车体引起车体振动，也会影响旅客乘坐的舒适性，评价舒适性时也应该考虑车体的振动。车体的垂向和横向平稳性是我国评价列车运行的两大重要指标。横向与垂向的运动的非线性微分方程如下所示：

[M]{x··}+F（x+x·）=F（t）

式中[M]—质量矩阵

F（x+x·）-悬挂力

F（t）-激扰力矢量

x-状态向量

4.3 列车动力学参数优化研究

利用ANSYS软件建立高速列车车体仿真模型研究高速列车在直线轨道上行驶时的垂向和横向平稳性，并且通过仿真实验不断优化列车的平稳性。脱轨系数、轴重减载率等动力学受高速列车转向架一系、二系悬挂系统影响很小，那么转向架一系、二系悬挂系统的参数影响着高速列车车体动力学性能的最大指标，仿真分析以高速列车转向转向架悬挂参数进试验，并的分析仿真结果优化选择最优参数。

高速列车轮对与转向架构架通过一系悬挂连接，所以一系悬挂起到垂向、纵向和横向三个方向弹性定位的作用。高速列车的车体重量虽然是由转向架承重，但是在垂向方向上转向架刚度不需承担车体重量。此外，车钩的高度是由转向架垂向方向与空气弹簧共同组合控制。所以在垂向方向上，列车的刚度参数不需要过多调整，调整的参数不大。列车系统动力学指标的影响主要是水平定位刚度，垂向定位刚度相比较水平定位刚度影响程度很小，与列车垂向力有关。因此。在研究高速列车车体动力学性能优化一系悬挂参数时，只需考虑横向悬挂刚度、一系纵向悬挂刚度和轴箱减振器垂向阻尼系数三个重要指标。在一定是限度范围内，提高列车在直线运动的特性，一系纵向定位刚度数值增加即可。但是一系纵向定位刚度数值增加，不利于列车的曲线通过能力，增大列车通过曲线时的轮对与钢轨之间的作用力，增加车轮与钢轨之间的磨耗，减少车轮和钢轨的使用寿命。通过试验得到，一系纵向定位刚度选取为15MN/m合适。

课题来源：广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“基于SIMPACK和ANSYS的轮轨激振对高速列车车体动力学性能研究”（2022KY1408）。

参考文献：

[1]孙光奇.高速列车车体强度与动力学分析[D].大连交通大学，2016.

[2]王蕾.转向架构架随机振动疲劳强度分析[D].大连交通大学，2019.