通過道岔時轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)振動與動態(tài)應(yīng)力分析.pdf

1、鐵道車輛的動態(tài)性能強(qiáng)烈地依賴于所運(yùn)行的線路條件，而在道岔上運(yùn)行則被視為最惡劣的線路工況。車輛通過道岔時，車輪和道岔間會產(chǎn)生大的沖擊載荷，雖經(jīng)一系懸掛的衰減，但構(gòu)架依然承受著較大的動態(tài)載荷作用。隨著車輛結(jié)構(gòu)輕量化的發(fā)展，可能造成車輛結(jié)構(gòu)，尤其是關(guān)鍵走行部件—轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的振動和疲勞問題，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行的安全性和可靠性。本論文基于多體系統(tǒng)(MBS)動力學(xué)和有限元(FE)分析方法，采用相應(yīng)的分析軟件SIMPACK和ANSYS，結(jié)合CW-200

2、型高速客車轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)、懸掛系統(tǒng)定位方式和道岔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，進(jìn)行了旨在車輛通過道岔時，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)振動及其動態(tài)應(yīng)力響應(yīng)變化規(guī)律的研究和分析。 研究建立了道岔區(qū)域不同鋼軌橫斷面外形幾何學(xué)描述，建立了車輪輪緣踏面外形和車輪輪背外形幾何學(xué)描述。研究分析了車輪通過道岔過程中，輪軌接觸幾何學(xué)關(guān)系變化、多點(diǎn)接觸現(xiàn)象以及輪軌相互作用的模擬。應(yīng)用彈性梁理論和等效鋼軌軌枕質(zhì)量塊方法，研究建立了三種不同類型的彈性和剛性線路模型。 研究分析

3、了彈性體在多體系統(tǒng)中的運(yùn)動學(xué)描述。研究利用d’Alembert原理和Jourdain虛功原理，通過Rayleigh-Ritz方法表示彈性體變形，推導(dǎo)得出了彈性體在多體系統(tǒng)中的運(yùn)動方程形式，推導(dǎo)得出了基于模態(tài)法表示的彈性線路模型。研究分析了有限元與多體系統(tǒng)分析軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞，采用標(biāo)準(zhǔn)輸入數(shù)據(jù)(SID)完成FE法計(jì)算的彈性體結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到MBS程序的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。 通過合理的劃分單元和選擇單元類型，研究建立了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型

4、(稱完整模型)并計(jì)算分析了構(gòu)架的彈性模態(tài)。研究了通過FE法獲取描述彈性體特征信息并應(yīng)用于多體系統(tǒng)中的處理分析方法。研究了采用超單元分析法對完整轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型進(jìn)行縮聚，將其按主自由度進(jìn)行縮減，使其適宜于多體系統(tǒng)的建模和動態(tài)響應(yīng)的分析研究之用。 用FE法模擬表示轉(zhuǎn)向架的彈性體構(gòu)架，首次研究建立了對應(yīng)三種不同線路模型的車輛/道岔線路三種多體系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。通過對比三種多體模型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)振動和動應(yīng)力的仿真結(jié)果，并與線路試驗(yàn)結(jié)果

5、進(jìn)行對比分析后得出：在通過道岔這類特殊線路時，由于存在沖擊，不考慮線路彈性的計(jì)算結(jié)果偏大，而周期彈性線路模型和相對簡化的等效均勻彈性線路模型均可取得令人滿意的結(jié)果和精度。采用彈性構(gòu)架及彈性車體，首次建立了對應(yīng)等效均勻彈性線路模型的車輛/道岔線路多體系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。研究對比了通過道岔時，剛性車體及彈性車體對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)振動和動態(tài)應(yīng)力的影響。研究結(jié)果表明，對于單節(jié)車輛多體系統(tǒng)模型，考慮車體彈性對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)振動和動態(tài)應(yīng)力響應(yīng)的影響不大。

6、 基于單節(jié)車輛/道岔線路多體系統(tǒng)模型，考慮線路彈性和彈性構(gòu)架，首次建立了分別對應(yīng)剛性車體和彈性車體的二種列車/道岔線路多體系統(tǒng)模型。計(jì)算分析了列車通過道岔過程中各車轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)振動和動態(tài)應(yīng)力，以及各車之間的相互影響。研究結(jié)果表明：在通過道岔過程中，由于列車中各車輛間的相互影響、作用和約束，導(dǎo)致了列車中各車構(gòu)架的動態(tài)應(yīng)力存在者較大的差別、變化規(guī)律各異；與單節(jié)車輛模型計(jì)算結(jié)果相比，列車模型中各車構(gòu)架的動態(tài)拉和壓應(yīng)力均產(chǎn)生了不同程度的

7、增加，其中，尤以中間車增加最大，頭車次之，尾車則增加的十分有限。對比剛性和彈性車體對列車多體系統(tǒng)模型的影響并與線路試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比后可知，剛性車體列車模型中各車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架動態(tài)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果明顯大于彈性車體列車模型的計(jì)算結(jié)果，而彈性車體列車模型的計(jì)算結(jié)果則十分接近線路試驗(yàn)結(jié)果。說明在建立列車多體系統(tǒng)模型時，應(yīng)考慮車體的彈性。 關(guān)于車輛通過道岔時，對多體系統(tǒng)模型計(jì)算步長(對應(yīng)于構(gòu)架動態(tài)應(yīng)力計(jì)算的采樣頻率)的研究分析認(rèn)為，為保證對轉(zhuǎn)向架