基于SIMPACK和ANSYS的輪軌激振對高速列車車體動力學性能研究

王發剛　胡士華

摘 要：我國高速列車最高運營時速達350km/h，是世界上高鐵運營時速最高的國家。高速列車運行時速達到300km/h時，列車車體就會受到強大的空氣壓力，并且百分之八十的牽引力用于克服空氣阻力。因受到空氣強大的壓強影響，鋁合金車體必須具有強大的強度和剛度，剛度和強度過低必然會導致鋁合金車體的受空氣的壓迫導致變形或者壓扁，給行車安全帶來極大的安全隱患。交通強國，鐵路先行。鐵路作為國民經濟的大動脈，鐵路的發展關乎著國民經濟的發展。高鐵已成中國一道亮麗的名片，不容有安全隱患，所以在試驗時必須反復檢查，把隱患消除在搖籃里。本文利用ANSYS軟件研究高速列車車體動力學，分析評價方法，并優化參數。

關鍵詞：高速列車車體 評價方法 優化參數

1 引言

新中國成立以來，我國國民經濟快速快發展，由一窮二白的國家發展成為經濟體量第二的大國，我國綜合實力不斷增強。我國經濟的快速發展離不開交通運輸的快速發展。交通強國，鐵路先行。鐵路是我國經濟發展的主動脈，國民經濟的發展又為鐵路的發展提供更多的經費支持。隨著我國科技的發展，運輸行業的科技含量與技術手段也得到快速提高與應用，也為交通運輸行業更加安全合理運行提供保障，安全、高效和合理的運行為我國國民經濟又好又快發展提供源源不斷的動力。鐵路客運快速化、安全化，貨運重載化發展為中國鐵路發展的目標，同時也對線路平總斷面的設計標準和平順性的要求也越來越高，對車體的鋼度，封閉性的要求也越來越高。高鐵作為中國一張靚麗的名片，對推動國家現代化和提升中國國際地位具有重要戰略意義。在中國高鐵技術如火如荼發展的背景下，旅客的要求也會發生轉變，安全、快速不在滿足旅客的要求，乘坐的舒適性和車體性能品質也成為重要的因素之一。由于高速列車在軌道上運行，輪軌間的作用力會產生高頻振動，會通過輪對、一系懸掛、轉向架、二系懸掛傳遞到車體，會造成車體振動，影響乘客乘坐的舒適性，危及行車安全性，同時也會使車體零部件產生疲勞失效等問題。因此，研究消除車體系統中的彈性影響，成為各國研究研究的熱點。

2 高速列車車體強度研究概況

2.1 系統動力學發展概況

列車在軌道上行駛時，列車和軌道線路共同構建一個龐大的系統，組成系統的各部分之間相互聯系相互作用，系統結構中各部分會受到振動受到力的作用并且產生位移，包括列車與軌道線路，機車與車輛以及車輛與車輛之間的彼此作用。車輛系統動力學就是研究分析這些力和位移變化規律的學科。響應問題和穩定性問題是研究分析車輛動力學研究兩大關鍵問題。

科技革命以來科學技術發展迅猛，應用領域越來越廣。隨著計算機技術應用分析車輛動力學技術越來越成熟，推動著車輛動力學的發展。多復雜的數學模型都可以運用計算機技術建模求解分析?？萍嫉倪M步推動這分析車輛動力學軟件的發展，目前一些國家的公司相繼開發出研究車輛動力學性能軟件，如美國的NUCARS和 ADAMS/Rail、德國的MEDYNA和SIMPACK，英國的VAMPIRE和法國的VOCO等。

鐵路客運快速化，貨運重載化是各國鐵路發展的共同目標。目前，我國高速鐵路最高運營時速達350km/h，是世界上鐵路運營時速最快的國家。未來，我國中長期目標是發展時速1000km/h和2000km/h高速列車，遠期目標是發展時速達4000km/h的高速列車。隨著運行時速不斷增加，車輪和軌道間的振動會隨著速度增加而加劇，嚴重影響列車運行的安全性和旅客的舒適性，同時也會使列車的零部件產生變形等。車輛運動學分析中以往是將車體作為剛性系統來處理，沒有將彈性變形考慮在內。以上分析的這些問題，給車輛系統動力學分析帶來考驗和挑戰。

2.2 多體系統動力學發展概況

共同組成系統的物體之間存在相對運動，由各相對運動的物體組成的系統就成為多體系統。組成多體系統的各物體之間會存在大范圍的相對運動，他們之間的相互連接的拓撲結構和約束類型也是復雜多樣的。多體動力學主要研究多剛體系統動力學和多柔性體系動力學兩個發面。經過多年的研究和實踐，多體系統動力學均應用到機械制造、車輛和航空航天等工程領域。

多體系統動力學起源于上世紀六十年代，是由Likng 、Roberson等人提出來多敢提系統動力學發展而來。多剛體系統動力學第一次研討會在上世紀七十年代召開，會議勝利召開標志著多剛體模型的創建方法等已基本獲得。多剛體的內容不斷豐富和延伸，逐步發展稱為“多體動力學”。上世紀九十年代，隨著科技革命的到來，計算機技術得到迅猛發展，應用領域越來越廣，越來越多軟件的公司開發研究多體力學軟件。隨著研究的不斷深入，多體力學軟件應用范圍越來越廣，使用越來越便捷，模塊化程度越來越高。越來越多的工程師在開發和設計新產品時用這些多體軟件進行設計、優化時，不僅可以使用方便、節約時間，而且可以極大降低成本。

中國多體研究起步比西方發達國家晚，開始與上世紀80年代，但是隨著我國科技的發展，多體動力學研究取得很多新的理論方法和工程應用成果。第九屆多體系統動力學會議在武漢召開，會議研討了多體動力學學科和航天動力學學科交叉互動，多體動力學開始在航天動力學領域應用，進一步擴展多體動力學的應用范圍。

2.3 高速列車車體強度研究簡介

高速動車組的車體強度研究主要是研究高速列車的靜強度分析。世界各國對車體的強度和剛度的標準也不同。吳丹采用不同的國際標準進行分析高速列車動車車體強度，通過對不同的標準進行分析，得到了不同的國際標準的適用范圍和不同標準的優缺點。分析高速列車車體強度和車體疲勞損傷，劉輝等人采用了有限元的分析方法獲得車體承受最大應力的部位。設計高速列車車體結構，趙士忠等人利用有限元分析的方法，通過ANSYS軟件分析計算在HyperMesh建立的高速列車模型，為設計和優化動車組車體結構提供了極高的參考價值。通過進行載荷試驗，KiHwan KIM、Choon PARK得到了高速列車車體疲勞強度只通過靜強度試驗分析是不夠的，還需要進行疲勞強度試驗。對于檢驗高速列車車體設計是否合理，張志華等人利用ANSYSA軟件分析計算合理簡化的高速列車車體的結構，根據不同的工況對車體結構加載不同的載荷，分析計算得到車體在不同載荷時的最大等效力以及車體的變形。車體設計是否合理通過比較相應標準得出。

3 高速列車車體建模

3.1 有限元法簡介

有限元法是將一個連續的整體，劃分為多個離散的單元，通過計算分析這些離散單元，然后再將這些離散的單元重新組合代替原來的整體結構，從而得到這個整體結構的近似數值解。有限元法相當于把一個復雜的整體結構劃分為多個有限單元，減少計算分析量，并且利用有限元法可有效快速解決物理、工程機械等領域問題。

隨著科學技術的發展，計算機輔助工程系統伴著計算機技術的發展而迅猛發展，日趨完善并且計算分析能力越來越強大，應用領域越來越廣。有限元法是計算機輔助工程系統中應用領域最廣，計算功能最強大的方法。并且具有較強的靈活性、適應性和適用性。有限元法擁有三個分析步驟，分別是有限元前處理（有限元建模），有限元分析計算以及有限元后處理（提取方針結果并進行分析，獲取有效信息）。

3.2 ANSYS軟件簡介

ANSYS功能日趨強大，計算能力越來越強。目前已成為有限元分析軟件中應用最廣泛的軟件。ANSYS軟件可以分析聲場分析、結構非線性分析、靜力分析和熱分析等類型，具有穩定和強大的分析結構。有限元常設計的領域有靜力分析、模態分析和屈曲分析等結構分析領域。利用ANSYS軟件分析分析有限元時，分析的結果除了位移值，其余分析的結果都是節點位移的派生值。檢車ANSYS軟件分析有限元的結果是否正確只要檢查位移值是否正確，如果位移值無誤則計算的結果無誤。ANSYS軟件分析有限元，可以極大減少設計的成本，簡化設計步驟，從而減少設計的時間。

3.3 高速列車有限元模型的建立

鋁合金車體具有強度大，質量輕等優點，我國高速列車車體采用鋁合金車體，鋁合金車體也是高鐵九大關鍵技術之一。利用ANSYS軟件分析高速列車題的動力學性能，必須要建立高精度的高速列車車體的有限元模型。由于高速列車的車體是一個龐大而復雜的結構，建立與實際車體完全一致的模型困難度極大，工作量極大，極大增加控制網格節點數目的困難度，同時也會增加軟件的計算分析工作量，對分析結果的精確度也會隨著下降。在處理高速列車這種大型復雜結構時，建模時要適當進行簡化。但是不能隨意進行簡化，簡化的基本原則是保證主要力學特性，具體的簡化程度與分析目的有關。分析高速列車車體動力學時，簡化建模如下：（1）高速列車車體結構簡化；（2）非承載件進行省略；（3）對倒角和細小的進行簡化；（4）高速列車車體構架表面進行光順化。

4 列車動力學性能參數分析

4.1 高速列車車輛動力學性能評定

我國地大物博，風景秀麗，山川地形復雜，修建高速鐵道時不可能修建成水平的線路，總是存在一定的坡度，所以在修建鐵路時，各國都在想方設法減少坡度。國外的修建方法是將坡度高的地面挖低，將地勢低洼的地點填平。我國建造方式為架橋，即線路修建為橋隧形式，與國外修建方式相比可以降低修建成本，同時也可以節約土地資源。但是由于高速列車自身的結構特點，高鐵線路存在一定的坡度和彎度，列車在在線路上運行時，由于車輪和線路之間的相互作用力，列車會產生多種不同的類型的軌道不平順，由于輪對與構架通過一次懸掛連接，軌道不平順會經輪對傳遞到轉向架構架后通過二次懸掛最終傳遞到車體，引起高速列車車體產生高頻振動。組成車體的各部件也會由于車體的高頻振動產生不同形式的振動，各零部件間會產生一定的加速度或者位移。在判定高速列車動力學性能時，不僅僅考慮軌道和輪對之間的作用力和線路不平順兩點因素以外，還需考慮車體的自身結構特點和動力學參數。在研究車體的動力學性能時，通常把高速列車車體看作剛體。剛體的彈性形變與懸掛系統相比，剛性的彈性形變遠遠小于懸掛系統。GB/T5599-1985《鐵道車輛動力學性能和試驗鑒定規范》是我國鐵路客車和貨車進行動力學仿真分析的參照標準。根據參照標準，進行高速列車車體的動力學仿真分析時，主要考慮：（1）機車車輛發生蛇行運動臨界速度；（2）機車車輛通過曲線時的性能指標；（3）機車車輛在直線運行時的最大加速度平穩性性能指標。

4.2 評價方法

4.2.1 機車車輛蛇行運動穩定性評價方法

機車車輛輪對踏面成錐形，機車車輛在軌道上運行時，輪對踏面與鋼軌存在間隙，輪對中心偶爾出現偏離回到中心時，機車車輛輪對便以不同的滾動元在軌道上滾動，輪對中的一個輪作橫向擺動，另一個輪對繞其質心的垂直軸來回轉動，從而產生類似蛇形的運動。機車車輛在軌道上發生蛇形運動時，會發生蛇形失穩的現象。模擬機車車輛發生蛇形失穩現象時，可用多自由度整車系統來進行模擬。微積分矩陣方程如下：

[M]{x·}+C（x+x·）+K（x，x·）=0

式中[M]質量矩陣

C（x+x·）-阻尼力

K（x，x·）-懸掛彈簧力

x-狀態向量

4.2.2 車輛直線運動性能評價方法

旅客乘坐的舒適性是我國高鐵考核的一項重要指標。高速列車運行的平穩性直接影響旅客乘坐的舒適性，列車加速度的大小是影響列車運行平穩性的重要指標。所以，旅客乘坐高速列車的舒適性可以采用加速度來評價。此外，由于輪軌間的相互作用產生的高頻振動經轉向架傳遞到車體引起車體振動，也會影響旅客乘坐的舒適性，評價舒適性時也應該考慮車體的振動。車體的垂向和橫向平穩性是我國評價列車運行的兩大重要指標。橫向與垂向的運動的非線性微分方程如下所示：

[M]{x··}+F（x+x·）=F（t）

式中[M]—質量矩陣

F（x+x·）-懸掛力

F（t）-激擾力矢量

x-狀態向量

4.3 列車動力學參數優化研究

利用ANSYS軟件建立高速列車車體仿真模型研究高速列車在直線軌道上行駛時的垂向和橫向平穩性，并且通過仿真實驗不斷優化列車的平穩性。脫軌系數、軸重減載率等動力學受高速列車轉向架一系、二系懸掛系統影響很小，那么轉向架一系、二系懸掛系統的參數影響著高速列車車體動力學性能的最大指標，仿真分析以高速列車轉向轉向架懸掛參數進試驗，并的分析仿真結果優化選擇最優參數。

高速列車輪對與轉向架構架通過一系懸掛連接，所以一系懸掛起到垂向、縱向和橫向三個方向彈性定位的作用。高速列車的車體重量雖然是由轉向架承重，但是在垂向方向上轉向架剛度不需承擔車體重量。此外，車鉤的高度是由轉向架垂向方向與空氣彈簧共同組合控制。所以在垂向方向上，列車的剛度參數不需要過多調整，調整的參數不大。列車系統動力學指標的影響主要是水平定位剛度，垂向定位剛度相比較水平定位剛度影響程度很小，與列車垂向力有關。因此。在研究高速列車車體動力學性能優化一系懸掛參數時，只需考慮橫向懸掛剛度、一系縱向懸掛剛度和軸箱減振器垂向阻尼系數三個重要指標。在一定是限度范圍內，提高列車在直線運動的特性，一系縱向定位剛度數值增加即可。但是一系縱向定位剛度數值增加，不利于列車的曲線通過能力，增大列車通過曲線時的輪對與鋼軌之間的作用力，增加車輪與鋼軌之間的磨耗，減少車輪和鋼軌的使用壽命。通過試驗得到，一系縱向定位剛度選取為15MN/m合適。

課題來源：廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“基于SIMPACK和ANSYS的輪軌激振對高速列車車體動力學性能研究”（2022KY1408）。

參考文獻：

[1]孫光奇.高速列車車體強度與動力學分析[D].大連交通大學，2016.

[2]王蕾.轉向架構架隨機振動疲勞強度分析[D].大連交通大學，2019.