通過道岔時轉向架結構振動與動態(tài)應力分析.pdf

1、鐵道車輛的動態(tài)性能強烈地依賴于所運行的線路條件，而在道岔上運行則被視為最惡劣的線路工況。車輛通過道岔時，車輪和道岔間會產生大的沖擊載荷，雖經一系懸掛的衰減，但構架依然承受著較大的動態(tài)載荷作用。隨著車輛結構輕量化的發(fā)展，可能造成車輛結構，尤其是關鍵走行部件—轉向架構架的振動和疲勞問題，嚴重影響列車運行的安全性和可靠性。本論文基于多體系統(tǒng)(MBS)動力學和有限元(FE)分析方法，采用相應的分析軟件SIMPACK和ANSYS，結合CW-200

2、型高速客車轉向架的結構、懸掛系統(tǒng)定位方式和道岔的結構特點等，進行了旨在車輛通過道岔時，轉向架構架結構振動及其動態(tài)應力響應變化規(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描述，建立了車輪輪緣踏面外形和車輪輪背外形幾何學描述。研究分析了車輪通過道岔過程中，輪軌接觸幾何學關系變化、多點接觸現象以及輪軌相互作用的模擬。應用彈性梁理論和等效鋼軌軌枕質量塊方法，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)中的運動學描述。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，推導得出了彈性體在多體系統(tǒng)中的運動方程形式，推導得出了基于模態(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)分析軟件之間的數據傳遞，采用標準輸入數據(SID)完成FE法計算的彈性體結果數據轉換到MBS程序的數據格式轉換。 通過合理的劃分單元和選擇單元類型，研究建立了轉向架構架有限元模型

4、(稱完整模型)并計算分析了構架的彈性模態(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向架構架有限元模型進行縮聚，將其按主自由度進行縮減，使其適宜于多體系統(tǒng)的建模和動態(tài)響應的分析研究之用。 用FE法模擬表示轉向架的彈性體構架，首次研究建立了對應三種不同線路模型的車輛/道岔線路三種多體系統(tǒng)的數學模型。通過對比三種多體模型轉向架構架結構振動和動應力的仿真結果，并與線路試驗結果

5、進行對比分析后得出：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算結果偏大，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果和精度。采用彈性構架及彈性車體，首次建立了對應等效均勻彈性線路模型的車輛/道岔線路多體系統(tǒng)數學模型。研究對比了通過道岔時，剛性車體及彈性車體對轉向架構架結構振動和動態(tài)應力的影響。研究結果表明，對于單節(jié)車輛多體系統(tǒng)模型，考慮車體彈性對轉向架構架的結構振動和動態(tài)應力響應的影響不大。

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架，首次建立了分別對應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。計算分析了列車通過道岔過程中各車轉向架的結構振動和動態(tài)應力，以及各車之間的相互影響。研究結果表明：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，導致了列車中各車構架的動態(tài)應力存在者較大的差別、變化規(guī)律各異；與單節(jié)車輛模型計算結果相比，列車模型中各車構架的動態(tài)拉和壓應力均產生了不同程度的

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結果進行對比后可知，剛性車體列車模型中各車轉向架構架動態(tài)應力計算結果明顯大于彈性車體列車模型的計算結果，而彈性車體列車模型的計算結果則十分接近線路試驗結果。說明在建立列車多體系統(tǒng)模型時，應考慮車體的彈性。 關于車輛通過道岔時，對多體系統(tǒng)模型計算步長(對應于構架動態(tài)應力計算的采樣頻率)的研究分析認為，為保證對轉向架