三维摩擦接触问题的增量线性互补方法

借助罚因子建立了三维摩擦接触本构模型,接触条件被表示为类似于非关联流动的弹塑性本构关系的形式。采用增量描述,对Coulomb摩擦定律采用Taylor展开作线性近似,导出了接触问题的互补虚功方程,然后基于有限元离散建立了三维摩擦接触问题的增量线性互补方法。数值算例表明了本文方法的有效性。     

一种基于轮轨竖向刚性接触的车-桥空间耦合振动建模方法

车辆-桥梁耦合振动研究具有重要的理论意义和工程实用价值,耦合系统运动方程的建立是研究开展的关键。本文将车辆-桥梁作为一个整体系统,采取轮轨竖向刚性接触方式,考虑轨道竖向、横向不平顺及其一、二阶导数,和轮对侧滚惯性力以及自旋角动量的影响,车辆采用弹簧阻尼连接的多刚体模拟,桥梁采用空间梁单元离散,基于Kalker线性蠕滑理论结合Shen-Hedrick-Elkins修正理论计算轮轨蠕滑力,运用弹性系统动力学总势能不变值原理及其对号入座法则,推导了车辆-桥梁耦合系统空间有限元形式的运动方程,该运动方程可采用逐步积分法直接求解得到车辆和桥梁的动力响应。最后,本文给出了典型的数值算例进行了分析计算。     

车桥耦合振动迭代求解数值稳定性问题

本文首先建立简化的等效弹簧振子模型进行车桥耦合振动迭代求解稳定性理论分析,然后将分析结论推广到复杂车桥系统进行验证.论文揭示了迭代不收敛的机理,再现了分离迭代发散的现象,提出了解决或者改善迭代稳定性的方法.研究表明迭代计算稳定性主要由所采用的轮轨接触假设决定,轮轨密贴接触假设是迭代不收敛的主要根源,而采用轮轨非密贴接触假设基本不会导致迭代不收敛.若采用轮轨密贴接触假设,在足够小的积分步长下,轮对质量与轮轨接触处桥梁单元的节点集中质量之比是影响迭代稳定性的关键因素,而桥梁和车辆系统的刚度、阻尼是影响迭代稳定性的次要因素.可采取如下方法改善迭代稳定性:忽略轮对惯性力对桥梁的作用,采用迭代加速技术,选用较大的时间积分步长等.     

含摩擦滑移铰平面多刚体系统动力学的数值算法

基于LuGre摩擦模型和线性互补问题(LCP)的数值算法,给出了具有双边约束含摩擦滑移铰平面多体系统动力学的数值算法.首先,根据滑移铰的特点,当间隙充分小时,将其视为双边约束,给出了滑移铰中滑道作用于滑块上的法向接触力的互补关系;LuGre摩擦模型能有效地描述机械系统中的黏滞与滑移运动,将该模型用于描述滑块与滑道间的摩擦力.其次,结合Baumgarte约束稳定化方法,应用第一类Lagrange方程,建立了该多体系统的动力学方程,给出了Lagrange乘子与滑移铰中作用于滑块上的法向接触力的关系式.然后,将滑块与滑道间多种接触状态的判断以及作用于滑块上的法向接触力的计算转换为线性互补问题的求解,并用常微分方程的数值算法求解该多体系统的动力学方程.最后,通过数值仿真算例揭示了滑移铰中滑块的黏滞与滑移现象,以及滑块在滑道内的多种接触状态;另外,在文中分别采用Coulomb干摩擦模型和LuGre摩擦模型,对算例中的某些工况进行了数值仿真,并且分别用本文方法得到的数值仿真结果与已有方法得到的数值仿真结果对比,表明了本文给出的方法的有效性.      

小半径曲线上长大桥梁车桥耦合振动分析

本文基于车辆-直线桥梁的耦合振动分析理论,采用模态叠加法,建立车辆-曲线桥梁的耦合振动方程。采用移动坐标系,通过坐标变换,解决车辆曲线通过时轮轨耦合的几何关系。依据赫兹弹性接触理论,考虑密贴接触和非密贴接触,求解轮轨接触力。基于车辆直线运动的Kalker线形蠕滑理论,修正后得出车辆曲线运行的蠕滑率。同时,在广义力向量中考虑了车辆曲线运动时产生的离心力和超高分力。采用分离迭代法求解运动方程,得出车桥耦合振动响应。基于这些理论分析,结合某小半径曲线上长大桥梁工程实例,进行列车-曲线桥梁的车桥耦合振动数值分析,得出了车辆通过小半径曲线上长大桥梁的一些车桥振动特性和规律。     

含摩擦滑移铰平面多刚体系统动力学的数值算法

基于LuGre摩擦模型和线性互补问题(LCP)的数值算法,给出了具有双边约束含摩擦滑移铰平面多体系统动力学的数值算法.首先,根据滑移铰的特点,当间隙充分小时,将其视为双边约束,给出了滑移铰中滑道作用于滑块上的法向接触力的互补关系;LuGre摩擦模型能有效地描述机械系统中的黏滞与滑移运动,将该模型用于描述滑块与滑道间的摩擦力.其次,结合Baumgarte约束稳定化方法,应用第一类Lagrange方程,建立了该多体系统的动力学方程,给出了Lagrange乘子与滑移铰中作用于滑块上的法向接触力的关系式.然后,将滑块与滑道间多种接触状态的判断以及作用于滑块上的法向接触力的计算转换为线性互补问题的求解,并用常微分方程的数值算法求解该多体系统的动力学方程.最后,通过数值仿真算例揭示了滑移铰中滑块的黏滞与滑移现象,以及滑块在滑道内的多种接触状态;另外,在文中分别采用Coulomb干摩擦模型和LuGre摩擦模型,对算例中的某些工况进行了数值仿真,并且分别用本文方法得到的数值仿真结果与已有方法得到的数值仿真结果对比,表明了本文给出的方法的有效性.     

不同轮轨接触模型在车桥耦合振动中的比较

以工程实例为研究对象,建立了整车-整桥系统耦合振动数值分析模型。考虑车轮的跳轨和挤密情况,建立了单边弹簧-阻尼系统弹性轮轨接触模型。采用基于多体系统动力学和有限元法结合的联合仿真技术,计算了两种轮轨接触时动车组列车以不同车速通过大跨度连续桥梁的耦合振动响应。数值计算结果表明:两种轮轨接触模型的桥梁动力响应比较接近;列车的横向轮轨力、轮重减载率和脱轨系数相差较大,当速度为350km/h时,横向轮轨力增大了46.5%,轮重减载率增大了130.8%,脱轨系数增大了24.66%;用单边-弹簧阻尼系统弹性轮轨接触模型更符合实际。     

基于对称性的三维车辆轨道耦合系统随机振动虚拟激励方法

基于结构的对称性提出了用于三维车辆轨道耦合系统高效随机动力响应分析的虚拟激励方法.车辆采用刚体动力学模型,轨道结构利用三维轨道广义单元建模,车辆与轨道通过线性轮轨关系耦合.采用虚拟激励法将高低、方向和水平三类轨道不平顺转化为一系列筒谐的虚拟不平顺;考虑车辆及轨道结构的对称性,分别推导了耦合系统的对称和反对称凝聚矩阵,提出了用于车辆轨道耦合系统动力响应计算的自由度凝聚方法,将耦合系统的自由度缩减至原来的一半以下,并在此基础上实现了耦合系统随机振动的高效分析.数值算例将本文方法与传统有限元方法进行对比,验证了本文方法的正确性和有效性.     

轨下支承失效对直线轨道动态响应的影响

建立了基于Timoshenko梁模型的车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨下支承失效对直线轨道动态响应的影响. 钢轨被视为连续弹性离散点支承上的无限长Timoshenko梁,通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟轨下支承失效状态. 推导了考虑钢轨横向、垂向和扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式. 利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力. 采用移动轨下支承模型的车辆/轨道耦合系统激振模式,考虑轨枕离散支承对系统动力响应的影响. 通过新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程,由数值分析计算得到不同轨下支承失效状态下直线轨道的动态响应. 结果表明,轨下支承失效对直线轨道变形及加速度有显著的影响,随着失效轨下支承个数的增加,轮轨相互作用力和轨道部件的位移、加速度将会急剧增大,将加速失效区段线路状况的恶化.      

不确定车轨耦合系统辛随机振动分析

建立了轨道不平顺作用下具有不确定参数车轨耦合系统随机振动评估方法. 车辆系统采用物理坐标下多刚体系统模型,并应用高斯随机变量模拟车体、转向架和轮对一系、二系连接系统中动力学参数具有的不确定性. 采用无穷周期结构进行弹性轨道模拟,在哈密顿状态空间下建立了典型轨道子结构的状态运动方程,通过轮轨耦合关系建立了混合 物理坐标及辛模态坐标车轨耦合系统运动方程. 应用Hermite正交多项式展开得到了耦合系统动力响应相对于不确定性参数的控制方程. 由于利用轨道周期特性建模,所获得的控制方程有效地降低了方程维度. 轮轨接触处轨道不平顺载荷模拟为完全相干多分量平稳随机过程,推广和发展虚拟激励法建立了耦合系统随机振动受不确定动力学 参数影响的量化评估方法. 通过Monte Carlo数值模拟,验证了该方法在不确定参数变异很大时也能够保持较好的精度,具有一定的工程实用性.     

基于智能驾驶电动汽车的多车?桥梁耦合系统动力学特性研究

迫于能源和环保问题的压力, 电动汽车及智能驾驶受到了各国高度重视. 轮毂电机驱动电动汽车车轮振动剧烈, 与桥梁路面动力学相互作用更加突出, 现有研究主要针对传统汽车, 关于电动车轮与公路桥梁接触动力学相互作用及智能驾驶车队的多车?桥梁耦合作用研究尚不多见. 本文以轮毂电机驱动电动汽车为研究对象, 考虑车轮和桥面多点接触关系, 研究了两个智能驾驶汽车过桥时的车桥耦合动力学特性. 分析了电机质量、电机激励、轮胎悬架刚度非线性、车距、车速对系统振动特性的影响, 以及桥面不平顺激励、三重耦合激励对电动汽车平顺性的影响. 研究表明: 车距和车速是影响车?桥系统振动特性的重要因素, 在车?桥耦合动态设计中, 车距和车速的影响应重点关注; 桥面越平坦, 电机激励及桥面二次激励对车辆平顺性和道路友好性影响越加显著, 当汽车行驶在平坦桥面时两种激励对轮毂电机驱动电动汽车的影响不容忽视. 所建模型有望为智能驾驶电动汽车与桥梁的耦合作用研究提供理论参考.      

车轮多边形激励下高速列车制动界面摩擦学行为分析

高速列车车轮多边形磨耗是一种沿车轮周向的不均匀磨耗,是列车服役过程中常见的车轮失效现象,其产生的剧烈轮轨激励严重威胁车辆系统服役可靠性. 制动系统作为保障高速列车服役安全的核心部件,其界面摩擦学行为直接受到轮轨激励的影响. 为探究车轮多边形激励下的制动界面摩擦学行为,建立了刚柔耦合车辆动力学模型和制动系统热机耦合有限元模型,并分别通过线路试验和台架试验验证了模型的正确性. 然后,提出一种考虑车轮多边形激励的制动界面摩擦学行为分析方法,能够真实地反映服役过程中制动界面摩擦学行为. 基于此,研究了不同车辆运行速度下车轮多边形激励对制动系统动态接触、温度以及振动特性的影响规律. 结果表明:车轮多边形磨耗导致系统接触面积、摩擦热、接触应力和振动等摩擦学行为更为复杂且剧烈. 此外,系统接触面积标准差和振动加速度均方根值随速度的增加而增大. 因此,车轮多边形磨耗对制动界面摩擦学行为具有不可忽略的影响. 该研究成果可为制动系统界面摩擦学行为研究及结构优化设计提供有效方法与工程指导.      

桥梁表面不平顺对车-桥耦合振动系统动力效应的影响

利用模态分析法以及时变力学系统的求解方法,考虑桥面不平顺产生的随机激励,以简支梁桥为对象,计算了四自由度模型车辆-桥梁耦合系统的动力效应,讨论了不同等级桥面平整度情况下桥梁冲击系数、车辆垂直加速度、车轮对桥的作用力的变化规律。结果表明,随着不平整度系数逐渐增大,冲击系数逐渐增大;平整度较差等级的桥面,车辆垂直加速度较大,车轮对桥的作用力也较大。     

Integration of uniform design and quantum-behaved particle swarm optimization to the robust design for a railway vehicle suspension system under different wheel conicities and wheel rolling radii

This paper proposes a systematic method, inte-grating the uniform design(UD)of experiments and quantum-behaved particle swarm optimization(QPSO),to solve the problem of a robust design for a railway vehicle suspension system. Based on the new nonlinear creep model derived from combining Hertz contact theory, Kalker's linear the-ory and a heuristic nonlinear creep model,the modeling and dynamic analysis of a 24 degree-of-freedom railway vehi-cle system were investigated.The Lyapunov indirect method was used to examine the effects of suspension parameters, wheel conicities and wheel rolling radii on critical hunting speeds.Generally,the critical hunting speeds of a vehicle sys-tem resulting from worn wheels with different wheel rolling radii are lower than those of a vehicle system having origi-nal wheels without different wheel rolling radii.Because of worn wheels, the critical hunting speed of a running rail-way vehicle substantially declines over the long term. For safety reasons,it is necessary to design the suspension sys-tem parameters to increase the robustness of the system and decrease the sensitive of wheel noises.By applying UD and QPSO,the nominal-the-best signal-to-noise ratio of the sys-tem was increased from?48.17 to?34.05 dB.The rate of improvement was 29.31%.This study has demonstrated that the integration of UD and QPSO can successfully reveal the optimal solution of suspension parameters for solving the robust design problem of a railway vehicle suspension sys-tem.     

RESEARCH ON MODELING AND NUMERICAL METHOD OF FREE STANDING BODY ON PLANAR RIGID MULTIBODY DYNAMICS

采用非光滑多体系统动力学的方法研究浮放物体与基础平台组成的多体系统,建立其非光滑接触的动力学方程与数值算法.浮放物体由主体部分和支撑腿组成,其间通过含黏弹性阻力偶的转动铰连接.支撑腿与基础平台间的接触力简化为接触点的法向接触力和摩擦力,采用扩展的赫兹接触力模型描述接触点的法向接触力,采用库伦干摩擦模型描述其摩擦力.采用笛卡尔坐标系下的位形坐标作为系统的广义坐标.首先,将基础平台运动看作非定常约束,用第一类拉格朗日方程建立系统的动力学方程,并采用鲍姆加藤约束稳定化的方法解决违约问题.随后给出基于事件驱动法和线性互补方法的数值算法.当相对切向速度为零时,构造静滑动摩擦力的正负余量和正、负向加速度的互补关系,从而将接触点黏滞——滑移切换的判断以及静滑动摩擦力的计算转化为线性互补问题进行求解,并采用Lemke算法求解线性互补问题.最后,通过数值仿真选择合适的步长;通过仿真结果说明浮放物体运动中存在的黏滞-滑移切换现象以及基础平台运动、质心位置对浮放物体运动的影响.     

基于LS -DYNA公路桥车桥耦合的车辆模型研究

研究公路桥梁在移动车辆荷载作用下的动力响应,建立合理的车辆模型非常重要。为更真实地体现桥梁在车载作用下的动力响应,基于LS-DYNA程序,结合常用重型车辆的结构特性及参数,对车辆的橡胶轮胎、轮胎内气体压力、车轮转动和车辆悬架系统进行模拟,使车辆模型更接近实际车辆。通过车辆轴重和动力特性初步验证车辆有限元模型的有效性;同时,以一座混凝土简支空心板梁桥为算例,验证车轮转动和车桥相互接触力,并将LS-DYNA计算结果与桥梁实测结果进行对比,进一步验证车辆有限元模型的有效性。研究结果表明,基于LS-DYNA建立的三维车辆有限元模型是可行的,可以用于研究车桥相互作用。     

Modeling intermittent contact for flexible multibody systems

This paper consists of two parts. The first part presents a complementarity based recursive scheme to model intermittent contact for flexible multibody systems. A recursive divide-and-conquer framework is used to explicitly impose the bilateral constraints in the entire system. The presented approach is an extension of the hybrid scheme for rigid multibody systems to allow for small deformations in form of local mode shapes. The normal contact and frictional complementarity conditions are formulated at position and velocity level, respectively, for each body in the system. The recursive scheme preserves the essential characteristics of the contact model and formulates a minimal size linear complementarity problem at logarithmic cost for parallel implementation. For a certain class of contact problems in flexible multibody systems, the complementarity based time-stepping scheme requires prohibitively small time-steps to retain accuracy. Modeling intermittent contact for this class of contact problems motivated the development of an iterative scheme. The second part of the paper describes this iterative scheme to model unilateral constraints for a multibody system with relatively fewer contacts. The iterative scheme does not require a traditional complementarity formulation and allows the use of any higher order integration methods. A comparison is then made between the traditional complementarity formulation and the presented iterative scheme via numerical examples.     

车辆纵向非光滑多体动力学建模与数值算法研究

在建立车辆纵向多体系统的动力学模型中, 将车身与车轮视为刚体, 两者通过减振器链接; 将传动系统视为一个圆盘通过扭簧和阻尼器与驱动轮连接; 将车轮与路面间的接触力简化为法向约束力、摩擦力和滚阻力偶,其中摩擦力的模型采用库仑干摩擦模型. 采用笛卡尔坐标作为该系统的广义坐标用于描述该系统的位形, 给出系统单双边的约束方程, 应用第一类拉格朗日方法建立了系统的动力学方程. 由于摩擦与滚阻的非光滑性, 使得该系统动力学方程不连续. 为便于计算, 建立了车轮与路面接触点的相对切向加速度与摩擦力余量的互补条件、车轮角加速度与滚阻力偶余量的互补条件, 以及车轮轮心法向加速度与路面法向约束力的互补条件. 将接触—分离、黏滞—滑移的判断问题转化成线性互补问题的求解, 并给出了具有约束稳定化的基于事件驱动法的数值计算方法. 最后, 应用该方法对车辆纵向多体系统进行了仿真, 分析了输出扭矩、摩擦及滚阻系数对其动力学行为的影响.