考慮柔性輪對的車輛系統剛柔耦合動力學響應分析

劉衍璋 孫加林 李文斌 彭啟鈺 張騫

摘要：

為研究柔性輪對對高速列車動力學性能的影響，采用剛柔耦合動力學仿真方法，基于CRH380高速列車模型建立了柔性輪對結構條件下的車輛—軌道剛柔耦合動力學模型。分析了輪對柔性與全剛體結構條件下的車輛模型的安全性、輪軌動態相互作用及通過性指標。仿真結果表明，在車速300 km/h時，兩模型在動力學指標上具有明顯差異，主要表現在柔性輪對車輛模型輪軌垂向力幅值及輪重減載率幅值都低于全剛性體車輛模型，車輛振動加速度、脫軌系數及輪軸橫向力波形結果差距較小。

關鍵詞：

高速鐵路；柔性輪對；剛柔耦合；仿真計算

中圖分類號：U211.5???????? 文獻標志碼：A

近年來，中國高鐵技術發展迅速，極大的提升了人們的出行體驗。隨著列車速度以及運行環境復雜程度的提升，傳統多剛體仿真模型無法保證仿真結果的精確性。為確保仿真結果更加貼合實際，有必要研究剛柔耦合模型與多剛體模型之間存在的差異。在基于模態法建立了柔性體輪對并集成到高速列車系統動力學模型中，柔性輪對模型對車輛系統的影響更大，且更接近實際情況［1-2］。隨著輪軌接觸理論的發展，提出了輪軌接觸與輪對的特定耦合方法，即車軌動力系統模型能夠有效反映輪對柔性對輪軌滾動接觸的影響［3］。有研究基于多體動力學理論關注了輪對結構振動對車輛系統動力學的影響，柔性輪對對車輛系統模型影響顯著［4］。在道岔區的研究中，通過建立車輛—道岔剛柔耦合動力學模型，分析道岔區幾何不平順對車輛動力學性能的影響，給出了道岔區軌道幾何不平順限值［5］。研究貨車系統動力學模型時，通過UM軟件建立貨車剛柔耦合模型，分析了輪對彈性振動對重載貨車動力學性能的影響，結果表明彈性輪對引起的輪對垂向振動相比剛性貨車模型振動差異顯著［6］。在城軌列車方面，建立了考慮輪對柔性直線電機地鐵剛軌道剛柔耦合模型，可知柔性輪對內置直線電機地鐵車輛的輪軌垂向力更大［7］。通過分析輪對柔性對靜態接觸幾何關系和車輛動態性能的影響，可知輪對柔性對輪軌力和一系懸掛會造成顯著影響［8］。不僅如此，柔性輪對對于車輛的曲線通過性以及車輪的疲勞壽命都有一定程度的影響［9-10］?；贏NSYS和SIMPACK聯合仿真將輪對柔性化處理，仿真結果表明柔性輪對模型的曲線通過性能優于剛性輪對［11］。池茂儒［12］提出了一種獨立輪對柔性耦合徑向轉向架的新方案，發現了獨立柔性耦合徑向轉向架的優勢和利用潛質。在磁浮列車方面，磁浮車輛—道岔梁耦合振動模型仿真分析了主動梁的剛柔耦合動力學模型，結果表明，柔性主動梁更接近實際情況［13］。方吉［14］基于剛柔耦合模型提出了焊接結構振動疲勞壽命預測的新方法。本文將CRH380B動車組中的車輪假設為柔性體，基于ANSYS和SIMPACK建立剛柔耦合模型并分析動力學響應，考慮實際的軌道狀況，添加京滬軌道不平順激勵，仿真結果更加接近實際運行情況。

1 車輛—軌道剛柔耦合動力學模型

1.1 柔性輪對的建模

在三維軟件中建立輪對模型，導入有限元軟件ANSYS。添加材料屬性，密度7 850 kg/m3。彈性模量2.05e11 Pa，泊松比為0.3，輪對總重量為1 651 kg。采用六面體實體網格單元，共劃分275 764個單元，318 244個節點，柔性輪對的有限元模型如圖1所示。

基于有限元模型進行模態分析，獲取30階彈性體振動模態，部分模態振型圖如圖2所示。

1.2 輪對子結構縮減

模型模態分析完成后進行子結構縮減，縮減前需保留輪對模型主節點的自由度。輪對模型選取了803個主節點，實體單元格上每個主節點保留X，Y，Z三個方向的自由度，共計2 409個自由度?？s減后要保留輪對的剛度、質量和阻尼，生成包含輪對質量、剛度和阻尼的CDB和SUB文件?？s減后得到基于柔性輪對的剛柔耦合動力學模型［15］（圖3），鋼軌廓形為60 N。

1.3 車輛模型

本文選用CRH380B高速動車組動力學模型，車輛所有部件均為剛性體，整個車輛模型部件包括1個車體、2個構架、4個輪對、8個軸箱組成，共50個自由度。整車拓撲圖如圖4所示。

2 動力響應結果分析

2.1 軌道不平順

兩根鋼軌在高低和左右方向與鋼軌理想位置幾何尺寸的偏差稱為軌道不平順，是產生機車震動的主要根源。為更好體現剛性/柔性輪對在多波長復雜激勵下的響應，在線路上疊加了隨機不平順（圖5）。

2.2 動力學性能評價指標

《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規范》（GB/T 5599—2019）對高速列車動力學性能指標做出相應規定。

（1）車體振動加速度。車體振動加速度反應了車輛的運行品質，對客車的運行品質評定限制：atz≤2.5 m/s2，aty≤2.5 m/s2，其中，atz為車體垂向加速度，aty為車體橫向加速度。

（2）脫軌系數。脫軌系數限定值見表1。

（3）輪軸橫向力。輪軸橫向力：H≤15+P0/3，其中，H為輪軸橫向力，P0為靜軸重，單位為kN。

（4）輪軌垂向力。中國規范《95J01-L》中對每個車輪作用于軌道的輪軌垂向力峰值的極限值規定為170 kN。

（5）輪重減載率。輪重減載率評定按速度分類：a）當試驗速度v≤160 km/h時，Δp/p-≤0.65；b）當試驗速度v>160 km/h時，Δ≤p/p-≤0.80。

2.3 柔性輪對車輛直線運行穩定性影響

通過對比剛性輪對和柔性輪對對車輛直線運行穩定性的影響，建立直線長度為4 000 m的軌道線路，對線路施加隨機不平順。列車速度為300 km/h，不同輪對仿真結果對比如圖6所示。

可知，對于車體振動加速度，兩模型波形結果基本一致，極值略有不同，剛性輪對車輛模型車體垂向振動加速度最大值為0.031 m/s2，柔性輪對車輛模型車體垂向振動加速度最大值為0.030 m/s2；剛性輪對車輛模型車體橫向振動加速度最大值為0.060 m/s2，柔性輪對車輛模型車體橫向振動加速度最大值為0.064 m/s2；對于脫軌系數，兩模型結果波形基本一致，但最大值略有不同，柔性輪對車輛模型整體脫軌系數峰值大于剛性輪對車輛模型，主要表現為剛性輪對車輛模型脫軌系數最大值為0.10，柔性輪對車輛模型脫軌系數最大值為0.21。兩模型輪重減載率分布規律也是如此，但剛性輪對車輛模型的輪重減載率幅值顯然大于柔性輪對車輛模型，主要表現為剛性輪對車輛模型輪重減載率最大值為0.65，而柔性輪對車輛模型為0.39，均符合安全限值規范；對于輪軸垂向力，兩模型波形結果分布也是基本一致，剛性輪對車輛模型輪軸橫向力最大值大于柔性輪對車輛模型，表現為剛性輪對車輛模型輪軸橫向力最大值為12.76 kN，柔性輪對車輛模型輪軸橫向力最大值為8.94 kN，均符合動力學評價標準。由輪軌垂向力波形圖可知，剛性輪對車輛模型最大值整體大于柔性輪對車輛模型，主要表現為剛性輪對車輛模型輪軌垂向力最大值為117.63 kN，柔性輪對車輛模型輪軌垂向力最大值為110.62 kN，符合動力學評價標準。

3 結論

本文運用有限元軟件ANSYS和多體動力學軟件SIMPACK進行聯合仿真分析，建立了柔性輪對車輛—軌道剛柔耦合模型模型及CRH380B高速列車模型，在長度為4 000 m的直線軌道上施加隨機軌道不平順激勵。仿真結果表明，剛性輪對車輛模型及柔性輪對車輛模型車體的橫向/垂向振動加速度變化規律基本一致，柔性輪對車輛模型的車體振動加速度最大值略大于剛性輪對車輛模型。兩車輛模型脫軌系數都滿足規范限制要求，但柔性輪對車輛模型脫軌系數最大值大于剛性輪對車輛模型。對于輪軸輪重減載率分布規律也是如此，整體輪重減載率分布波形圖一致，但幅值有較大差異，剛性輪對車輛模型輪重減載率幅值顯著大于柔性輪對車輛模型輪重減載率最大值。對于輪軌動態相互作用，兩模型的輪軸橫向力分布規律與平穩性指標分布規律基本一致，柔性輪對車輛模型輪軸橫向力最大值略大于剛性輪對車輛模型；對于輪軌垂向力，兩模型雖變化波形基本一致，但整體剛性輪對車輛模型輪軌垂向力最大值大于柔性輪對車輛模型，柔性輪對對于輪軌動態相互作用的影響較大。

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Dynamic Response Analysis of Rigid-flex Coupling of Vehicle System Considering Flexible Wheelset

LIU Yan-zhang1， SUN Jia-lin2， LI Wen-bin1， PENG Qi-yu1， ZHANG Qian1，3

（1. Mechanical and Electrical Engineering College， Qingdao University， Qingdao 266071， China;

2. Infrastructure Inspection Research Institute， China Academy of Railway Sciences CorporationLimited， Beijing 100081， China;

3. National Engineering Laboratory for High-speed Train System Integration， CRRC QingdaoSifang Co. LTD， Qingdao 266111， China）

Abstract：

In order to research the influence of flexible wheelset on the dynamic performance of high-speed train， the rigid-flexible coupling dynamic model of vehicle track under the condition of flexible wheelset structure was established based on CRH380 high-speed train model by using rigid-flexible coupling dynamic simulation method. The safety， wheel rail dynamic interaction， and trafficability indicators of vehicle models under the conditions of flexible wheelsets and fully rigid body structures were researched. The simulation results show that there is a significant difference in dynamic indicators between the two models at a speed of 300 km/h， mainly manifested in the fact that the amplitude of the vertical force on the wheel rail and the amplitude of the wheel load reduction rate on the flexible wheelset vehicle model are lower than those on the fully rigid vehicle model， while the results of the vehicle vibration acceleration， derailment coefficient， and lateral force waveform on the wheel axle have a small difference.

Keywords：

speed railway; flexible wheelset; rigid-flex coupling; simulation calculations

收稿日期：2023-04-27

基金項目：

山東省自然科學基金（批準號：ZR2019PEE011）資助。

通信作者：

張騫，男，博士，副教授，主要研究方向為軌道動力學。E-mail：figozq100@sina.com