考虑轮轨脱离的车桥耦合系统动力响应分析

针对密贴和弹簧连接两种轮轨关系模型,通过构造车轮与桥梁之间相对位移和相互作用力间的线性互补关系,建立了两种考虑轮轨脱离的车桥耦合系统动力学分析模型,从而将车桥耦合系统的轮轨连接问题转化为标准的线性互补问题。本文方法不需要在每一个时间步对接触状态进行判断,避免了传统算法的迭代求解过程,能够对轮轨脱离进行模拟。在数值算例中,讨论了无量纲化的车桥耦合系统质量、刚度等参数和行驶状态对系统响应动力放大系数的影响,以及速度因子和车桥质量因子对轮轨脱离的影响。数值算例证明了本文方法的正确性,且相对于传统轮轨接触模型具有更高的计算效率。     

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。     

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。     

基于桥面不平顺导致跳车工况下的车桥相互作用分析

以双轴四自由度简构车辆和简支梁桥为对象,综合考虑车辆前后车轮与桥面贴合和分离的情况,建立以车轮与桥面位移相容条件为判别依据的跳车分析模型。当车轮、桥体、桥面不平度三者的位移矢量和小于零时判定车轮与桥面分离,而车辆将在重力作用下重新回到桥面与桥梁产生二次接触,从而影响桥梁位移响应。本文采用Matlab自编程序求解耦合模型,重点研究在车辆速度、桥面周期不平顺和随机不平顺三种因素的影响下考虑跳车情况后的桥梁位移动态响应。文中数值算例表明:当桥面平顺时,跳车工况下桥梁位移曲线与车桥密贴结果高度一致,差值小于3%,证明了该判别条件的准确性;而当桥面不平顺时,跳车工况桥梁竖向位移较密贴工况有10%左右的增幅,且跳车工况下的桥梁位移曲线波动幅值随桥面等级的降低而增大。故在车桥耦合动力学分析中,当桥面存在不平顺时应充分考虑桥面跳车带来的影响。     

三维车桥耦合系统的非平稳随机振动分析

推导了线性时变系统非平稳随机响应的多维虚拟激励法,研究了三维车桥耦合系统受轨道激励而产生的非平稳随机振动。桥梁模型采用空间Euler梁单元,轨道激励假设为均匀调制多点异相位非平稳随机激励。采用多维虚拟激励法把轨道不平度转化为一系列简谐不平度的叠加,通过简单分解精细积分格式进行迭代计算,最终得到系统随机响应的时变功率谱及均方根。数值算例中,用时间历程法验证了本文方法的正确性,并且分析了方向、高低、水平三类轨道激励同时作用下三维车桥耦合系统的非平稳随机振动特性。     

轮轨横向接触过程时域计算模型的建立与分析

为研究轮轨横向接触过程稳定性对曲线啸叫噪声的影响,利用改进的新型摩擦系数模型计算了轮轨接触面上的摩擦力变化,在考虑车轮横向、垂向动力学特性的基础上建立了轮轨横向接触系统时域模型。针对S型辐板辗钢整体车轮分析了横向蠕滑量和车轮阻尼对该系统的稳定性影响。结果表明,轮轨接触面上动静摩擦力之间的落差引起的粘滞一滑动形式的自激振动是引起曲线啸叫噪声的主要原因,增大车轮模态阻尼使其大干等效阻尼的临界值,或减小轮轨问横向蠕滑量使其小于0．0024可以使系统稳定,轮轨间的垂向刚度和阻尼会使系统不稳定频率与车轮模态频率产生偏移。     

全制动工况下轮轨热-机耦合效应的分析

采用有限元法从摩擦热效应角度探寻轮轨表面破坏的原因,建立了轮轨热-机械载荷耦合接触模型,分析纯滑动接触过程中轮轨的温升以及热应力,模型中考虑了轮轨间非稳态热传导、与环境的热对流和热辐射以及轮轨间的接触计算,分析了滑动接触过程中应力场的分布特点以及速度的影响.结果表明:所采用的接触算法能够求解二维轮轨全制动工况下的热接触问题;轮轨摩擦热效应只存在于表层,其影响随着深度增加而减小;轮轨的相对滑动速度越高,其热效应越明显.     

车辆各轮相干桥面不平顺激励的车桥耦合振动

根据车辆左右轮的互功率谱密度和相干函数,推导了左右轮桥面不平顺特性中对应相位角的相干关系,提出了采用相位角相干生成车辆各轮相干桥面不平顺激励的方法,并通过数值算例验证了该生成方法的可靠性.工程应用结果表明,车辆各轮相干桥面不平顺激励增大了桥梁、车辆竖向和车辆俯仰角的振动响应,但降低了车辆侧倾角的振动响应;不同相干函数模型对桥梁振动响应影响较小,但对车辆振动响应影响较大;同一相干函数模型,桥梁振动响应随着相干强度的增大而增大,但车辆振动响应随着相干强度的增大而减小;研究桥面不平顺随机激励对车桥耦合系统振动响应的影响有必要考虑车辆各轮的相干关系.     

用数值积分法计算位移

本文在求位移的莫尔积分式中引入开关函数，使各种复杂荷载引起的弯矩，用统一形式表达．再采用数值积分方法，能计算横截面沿轴线多变的杆件．运算过程以加倍增密迭代，电算程序简单，收敛速度快．     

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。     

列车-桥梁耦合振动研究综述

针对列车-桥梁耦合振动问题,从模型分类与建立、轮轨接触、数值计算、工程应用等4个方面综述了20世纪60年代至今,特别是近20年以来的研究进展,总结了已经取得的成就与结论.并指出建立更加精细合理、运算效率高的列车-桥梁耦合振动模型,综合考虑整个体系中的各种因素,更系统地分析车、桥相互作用的影响关系,将成为列车-桥梁耦合振动研究的必然趋势.      

轮对非线性动力学系统蛇行运动的解析解

在对铁路车辆系统的极限环幅值和非线性临界速度进行分析时通常采用数值方法, 不便于研究其随系统参数的变化规律. 轮对系统保留了影响车辆系统动力学性能的几个关键要素: 如轮轨几何非线性约束、轮轨接触蠕滑关系和悬挂系统等, 可以反映铁路车辆系统蛇行运动的本质特性. 轮对系统自由度少、参数少, 可以采用解析方法进行分析. 本文选取合适的特征量把轮对非线性动力学方程无量纲化, 得到了带有小参数的两自由度微分方程; 采用多尺度方法对该方程进行了解析求解; 给出了轮对系统极限环幅值的解析表达式并对其稳定性进行了判定; 给出了轮对系统的分岔速度解析表达式, 并进而获得系统的非线性临界速度的解析表达式. 在对得到的解析解用数值结果进行验证后, 用得到的解析解进行了系统参数影响分析. 传统的分岔图计算方法(如降速法、路径跟踪法等)需对微分方程进行大量数值积分计算方可求解系统的非线性临界速度值, 而通过本文获得的解析表达式可直接给出系统的非线性临界速度值和极限环幅值, 便于研究轮对系统动力学特性随参数的变化规律,进行快速方案比对和筛选, 为转向架结构优化设计提供参考.      

An Inertial Reference Frame Method for the Simulation of the Effect of Longitudinal Force to the Dynamics of Railway Wheelsets

In the current practice of wagon dynamics simulation, traction and braking forces are seldom considered although such forces modify the wheel-rail contact parameters and hence the wheelset dynamics. On the other hand, whilst the traction and braking forces are considered in the simulation of train and locomotive systems, their lateral dynamics is predominantly disregarded. Therefore, there exists a gap in the knowledge of the effect of the application of the longitudinal forces to the lateral dynamics of wagons; this paper aims at bridging this gap. An inertia reference frame method available in the literature has been extended for the purpose. This paper reports the formulation and presents numerical examples of a single wheelset contained within a bogie frame subjected to longitudinal forces of varying severity. The results have been validated where possible.     

NUMERICAL SIMULATION OF TWO-POINT CONTACT BETWEEN WHEEL AND RAIL

The elastic-plastic contact problem with rolling friction of wheel-rail is solved using the FE parametric quadratic programming method. Thus, the complex elastic-plastic contact problem can be calculated with high accuracy and efficiency, while the Hertz＇s hypothesis and the elastic semi-space assumption are avoided. Based on the ‘one-point＇ contact calculation of wheel-rail, the computational model of ‘two-point＇ contact are established and calculated when the wheel flange is close to the rail. In the case of ‘two-point＇ contact, the changing laws of wheelrail contact are introduced and contact forces in various load cases are carefully analyzed. The main reason of wheel flange wear and rail side wear is found. Lubrication computational model of the wheel flange is constructed. Comparing with the result without lubrication, the contact force between wheel flange and rail decreases, which is beneficial for reducing the wear of wheel-rail.     

轮对非线性动力学模型稳定性和分岔特性研究

为了探究轮对系统的横向失稳问题,考虑了陀螺效应和一系悬挂阻尼的影响作用,建立非线性轮轨接触关系的轮对动力学模型,研究轮对系统的蛇行稳定性、Hopf分岔特性及迁移转化机理.通过稳定性判据获得了轮对系统失稳临界速度.采用中心流形定理和规范型方法对轮对动力学模型进行化简,得到与轮对系统分岔特性相同的一维复变量方程,理论推导求得轮对系统的第一Lyapunov系数的表达式,根据其符号即可判断轮对系统的Hopf分岔类型.讨论了不同参数对轮对系统Hopf分岔临界速度的影响,探究了轮对系统的超临界、亚临界Hopf分岔域在二维参数空间的分布规律.利用数值模拟得到轮对系统的3种典型Hopf分岔图,验证了轮对系统超临界、亚临界Hopf分岔域分布规律的正确性.结果表明,轮对系统的临界速度随着等效锥度的增大而减小,随着一系悬挂的纵向刚度和纵向阻尼的增大而增大,随着纵向蠕滑系数的增大呈先增大后减小.系统参数变化会引起轮对系统Hopf分岔类型发生改变,即亚临界与超临界Hopf分岔相互迁移转化.轮对系统Hopf分岔域在二维参数空间的分布规律对于轮对系统参数匹配和优化设计具有一定的指导意义.     

轮对结构柔性对车轮辐板疲劳寿命的影响

针对高速动车非轴对称车轮辐板区域随机疲劳寿命问题,分别将轮对视为刚性体和柔性体建立了车辆-轨道系统动力学模型,仿真得到载荷时间历程和轮轨接触点在踏面上的位置时间历程。在三维有限元模型中使用约束方程模拟轮轴过盈配合,使非线性问题线性化,采用准静态叠加法得到应力时间历程。基于临界距离法中的点法,以疲劳破坏临界平面上的正应力为主循环计数参数,剪应力为辅助计数参数进行多轴循环计数,结合Spagnoli法和Miner理论研究了轮对结构柔性和车轴刚度对车轮辐板随机疲劳寿命的影响。研究结果表明,轮对结构柔性对车轮辐板疲劳寿命有较大影响。随着车轴刚度的降低,轮轨接触横向力的幅值显著增大,轮对模态的特征频率和车轮辐板区域的寿命降低。因此,在轮对轻量化设计时,需综合考虑车轴的结构刚度。     

两种型面轮轨滚动接触蠕滑率和摩擦功

采用数值分析方法详细分析了2种型面轮对与轨道在滚动接触过程中的接触几何、蠕滑率和摩擦功。在摩擦功分析计算中利用了Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论,并考虑了轮轨的结构变形的影响。分析计算表明,在轮对运动相同的情况下,磨耗型轮对与轨道之间的蠕滑率和摩擦功与锥型轮对轨道之间的蠕滑率和摩擦功相差甚大。数值分析结果表明,现行铁路中正在推广使用的磨耗型轮对并不能减少轮轨接触表面之间的磨损,磨损型车轮的型面与钢轨尺寸的匹配还有待进一步改进。     

谐波型波磨激扰下轮轨系统接触蠕滑特性

将钢轨波浪形磨耗理想化为三种波长和波深组合的连续谐波激扰，通过多体动力学软件UM，分析不同波长和波深工况下谐波激扰对轮轨接触蠕滑特性的影响。研究表明，当波长固定、波深增大时，钢轨轮对垂向振动加速度和纵向蠕滑率/力的平均值均增大，横向蠕滑率/力平均值均减小。当波深固定、波长增大时，钢轨轮对垂向振动加速度平均值和纵向蠕滑率/力平均值均减小，横向蠕滑率/力平均值均增大。纵横向蠕滑率/力均含有与初始不平顺频率值相接近的特征频率成分，纵向蠕滑率/力特征频率随着波深的增大趋向高频段发展，横向蠕滑率/力特征频率集中在低频段，且随着波深增大逐渐减小。当波深为0.3 mm时，纵横向蠕滑率/力强度相当，能量主要集中在低频，频率比较单一；当波深达到0.6 mm和0.9 mm时，蠕滑率/力以纵向蠕滑率/力为主，表现出多频率特征。在波长相同的条件下，随着运营时间的增加，磨耗量在低频段增加较小，在中高频段增加较大。