时速120 km地铁快线空气动力学试验研究

为探明设计时速120 km快速地铁列车在多区段桥隧衔接线路运行时的气动效应和气密性能,采用实车试验的方法,在武汉某多区段桥隧衔接地铁快线对某4车编组的新研A型密封性地铁列车开展空气动力学测试。实验测试系统采用LL-250-15A型Kulite压力传感器,通过测量列车外部和内部的瞬态压力变化,分析全线路车外压力波动特性,对比沿列车长度方向不同测点位置的压力变化幅值,并分析不同空调状态下的车内压力舒适性。经过3次实验测试分析,该实验的结果具有可重复性。研究结果表明:全线路运行时,列车在隧道段内加减速导致车外压力变化幅值明显大于高架段,气动效应最恶劣的位置为地下段人防门变截面处,列车上行通过该处时车外任意3 s内压力变化幅值为1 071 Pa,下行通过该处时车外任意3 s内压力变化幅值为905 Pa;相对于下行线全线路,上行线车外任意3 s内压力变化幅值大18.3%;列车正线运营时压力波保护阀会在压力变化剧烈区段进行动作响应,列车上行时,空调开启、压力波保护阀正常启用状态下,车内任意3 s内压力变化幅值相对于压力波保护阀打开未启用时减少了16%,下行时,减少了28%,空调压力波保护阀能够有效降低车外压力波动对车内气压变化的影响。本文研究成果可为快速地铁线路设计、地铁列车运营及地铁气密性优化提供参考依据。

高速列车顶层设计指标分解研究现状与展望

顶层设计指标分解是决定高速列车正向设计周期长短和成功与否的首要环节.首先,在阐述运输能力、安全舒适、绿色环保、经济性等高速列车顶层设计指标的基础上,从系统结构组成、运行边界条件以及大系统耦合作用等角度提出高速列车顶层设计指标分解所面临的技术挑战;然后,论述设计指标分解方法、设计指标分解关联模型和设计指标分解协调策略3个方面研究现状,并分析现有方法的不足与新需求;最后,展望群落生态学在高速列车顶层设计指标分解中的适用性,剖析基于群落生态学的高速列车顶层设计指标分解将会面临的关键问题,并给出相应的解决技术路线,以期为高速列车顶层设计指标分解的深入研究和实践提供参考.

基于神经网络的自动空气制动系统仿真研究

通过分析空气制动试验数据研究10 000 t重载列车空气制动系统的空气传递特性,提取影响空气制动系统关键部件(列车管、副风缸和制动缸)的神经网络特征,建立一种基于神经网络的自动空气制动系统仿真模型。将模型作为制动激励输入纵向动力学模型,并将纵向动力学模型的预测结果与浩吉西峡东站—襄州北站铁路10 000 t重载列车的实际运行结果进行对比验证。研究结果表明:10 000 t重载列车的制动和缓解信号从机车向远端车辆传递,随着传递距离增加,传递速度几乎不变,但传递强度有所衰减;基于神经网络的制动系统仿真模型能预测10 000 t重载列车常用制动减压50 kPa工况的列车管、副风缸和制动缸风压变化,预测精度高达99.9%,在相同计算步长下,计算效率较传统的流体力学仿真模型提升了2 938倍,具有广阔的工程应用前景。

被动式压力控制技术的高速列车车内压力计算方法研究

现有采用被动式技术的高速列车车内压力计算方法,未考虑压力保护阀实际工作状态及鸭嘴孔的影响,不利于准确预测通过隧道时的车内压力。基于被动式压力保护阀开闭控制技术路线和空调鸭嘴孔开闭对车体气密性的影响特征,建立列车通过隧道时的车内压力计算方法。在采用一维可压缩非定常不等熵流动模型黎曼变量特征线法获得车外压力后,分析单列车通过短、中长、长、特长隧道情况下压力保护阀开闭特征,并对比分析单列车通过隧道情景下现有计算方法与本文方法预测车内压力变化的差异;结合压力舒适性标准限值分析车内压力舒适性指标值。研究表明:本文计算方法合理可行,不仅能更精确预测被动式技术的高速列车车内压力变化规律,而且为压力保护阀开闭控制技术制定提供切实可行的空气动力学优化依据。

动车组前端排雪动态响应及雪阻形成机理

为确定动车组前端雪体与排雪阻力间的作用关系,指导积雪加载下动车组高效排雪设计。运用耦合Drucker−Prager失效准则定义下弹塑性积雪本构和光滑粒子流体力学仿真方法,分析积雪冲击时排障面板动态响应及积雪运动状态规律,研究排雪阻力与积雪深度、雪质特性、运行边界间变化规律。基于质量守恒和达朗贝尔原理构建动车组排雪阻力映射模型,揭示动车组前端雪阻形成机理。研究结果表明:设计运行速度下承受排雪载荷的排障面板处于弹性响应阶段,不会发生塑性破坏;排雪深度为10~410 mm、积雪密度为160~480 kg/m^(3)、行驶速度为80~160 km/h时,排雪阻力与积雪厚度、密度均呈线性正相关关系,与排雪速度呈二次正相关关系;排雪阻力理论模型能够准确预测数值计算结果;相比摩擦阻力和切削阻力,动车组冲击过程中积雪运动状态改变是排雪阻力形成的主要原因。

基于遗传算法的磁悬浮列车升力翼的翼型及外形结构优化

翼型对于高速列车升力翼的气动性能影响明显,为进一步提高升力翼的增升性能,对磁悬浮列车升力翼的翼型和外形结构优化很有必要。选用翼型NACA BR 63-55-12作为高速列车升力翼的基础翼型,利用遗传算法与CFD相结合的方法对基础翼型进行优化,对基础翼型和优化后的翼型进行气动性能对比分析,在此基础上建立了升力翼的气动仿真模型,研究了翼尖小翼和支撑杆形状对气动性能的影响。结果表明:优化后翼型气动特性出现明显提升,其中升力系数提高23.2%,阻力系数降低0.67%,升阻比提高;升力翼翼尖加装小翼起到增强翼尖涡耗散作用,安装小翼的升力翼的升阻比平均增大约6.7%;升力翼的3种截面中椭圆形的支撑杆阻力最小,在3种截面形状中最大。

计入不确定性变量的汽车结构轻量化设计研究

针对汽车结构轻量化设计,提出了计入不确定制造精度的汽车结构可靠性设计方法.将主要设计变量视为区间变量,其他设计参数视为概率参数,并在此基础上采用区间模型的变换方法和概率模型的解耦策略,建立了汽车结构制造精度不确定的可靠性设计方法.通过实例分析得到了不同可靠性要求的最优解和最大允许偏差范围,验证了该方法的有效性.优化设计结果表明,在可接受的制造条件下能得到最优变量和相应的最大允许偏差范围.通过适当增大设计变量的偏差范围,可以降低对制造精度的要求,从而降低制造成本.

蜂窝板几何参数对芯子剪切模量测量值的影响

为了通过三点弯曲试验获得蜂窝芯子较准确的剪切模量,基于商用铝蜂窝夹层板几何参数与典型剪切模量值,对三点弯曲试验有限元仿真模型进行校验,研究了蜂窝夹层板几何参数对测得芯子剪切模量值的影响规律。利用Sobol法对各影响因素进行灵敏度分析,拟合得到简化代理模型。基于简化代理模型,给出了三点弯曲试验中蜂窝夹层板几何参数适用可行域。研究结果表明,蜂窝夹层板几何参数对芯子剪切模量测量值的影响程度由大到小的顺序为芯子密度、面芯厚度比和面板厚度。在给定的可行域内,通过三点弯曲方法测得的蜂窝芯剪切模量精度良好,可为实际工程提供参考。

城市轨道交通列车外观的情感化设计研究

从情感化设计理论概述出发,探讨了情感化设计理念融入城轨列车外观设计的优势。结合情感化设计的三层次理论,在整理、分析国内外主要城市城轨列车外观设计案例的基础上,从造型与感官设计、地域文化与乘客情感关系构建、情感参数的转化三个方面总结了城轨列车外观情感化设计的基本策略。以苏州轨道交通8号线列车外观情感化设计为例,认为由传统聚焦物质转向为聚焦乘客情感需求的列车工业产品设计,将列车外观设计与乘客心理特征及地域文化结合起来,强化列车外观的情感特征,加强列车外观与乘客情感关系的构建,有利于激发乘客情感共鸣,提升城轨列车外观设计的品牌价值。

城轨车防爬缓冲装置的可靠性优化研究

为提升防爬缓冲装置的可靠性,对防爬缓冲装置进行了可靠性优化。首先通过试验设计建立了吸能量和初始峰值力的近似模型,经确定性优化得到了pareto前沿的最优解。然后在确定性优化的基础上引入了可靠度约束并进行可靠性优化,得到了符合可靠度要求的最优解。结果表明,相比于确定性优化,可靠性优化的优势更加明显,它在对防爬缓冲装置进行耐撞性优化的同时,也保证了结构的可靠性,为工程实际中防爬缓冲装置的可靠性优化提供了参考。

服役高速列车车体铝合金材料率相关剩余强度预测

高速列车结构与材料在长期服役过程中因受复杂边界条件的影响将逐渐趋于劣化,存在潜在的安全风险。本文以高速列车常用铝合金6005A-T6为对象,首先将材料细观微结构解耦为基体相与空洞相,推导符合微结构连续度Weibull分布特征的损伤演化方程;继而提出一种考虑应变率的试验−数值方法,识别材料颈缩后损伤的加速演化行为,进而推导得到覆盖空洞相萌生、生长、聚合全过程的损伤演化方程,并得出基体相的无损本构;最后结合细观物理机制提出损伤顺序交互作用模型,以实现仅测量材料表观弹性模量即可获取含先前服役损伤材料在后续延性变形中的损伤演化方程,准确预测含服役损伤材料的率相关剩余强度。研究结果表明:预测值与试验值的平均相对误差不超过1%。损伤随延性发展由应变率正敏感性转变为负敏感性;对于疲劳−延性机制,空洞在先前疲劳损伤发展的空洞基础上继续生长。

增强牵引变流器过载的IGBT泵升驱动技术

轨道交通牵引变流器在车辆启动加速和紧急制动过程中,会运行在过载工况,即流过IGBT的电流超过设计的额定电流。此时虽然仍在器件允许电流范围内,但IGBT损耗会出现较大增幅,导致变流器温升大幅波动。研究一种集成门极电压泵升技术的IGBT驱动电路,在需要短时加大IGBT通流能力时,可以将门极开通电压升高,降低IGBT的导通压降,减小IGBT的损耗和温升波动。分析过载工况下的牵引变流器工作特性,并在此基础上计算IGBT的损耗和温升情况;分析门极开通电压升高对IGBT导通压降的影响,并设计具有门极电压泵升功能的IGBT驱动电路。通过仿真和双脉冲动态开关实验,验证此设计功能的有效性。

基于等效刚度阻尼系统的中低速磁浮列车与大跨度桥梁耦合振动响应分析

针对中低速磁浮列车与大跨度连续梁桥的耦合动力响应问题,本文基于等效刚度阻尼系统建立多编组磁浮列车模型;基于国内在建磁浮专线连续梁桥(35m+55m+35m),采用ANSYS中实体单元建立全桥模型.并将两个独立系统在SIMPACK进行车桥耦合,设定车重参数分别为空载、定员和超载,且列车按单线和双线工况运行,计算耦合系统的动力响应.结果表明,本文建立的列车模型受到轨道激励时,磁浮间隙在额定范围内浮动,即等效刚度阻尼系统有良好的控制效果;车辆磁浮间隙的变化量、车体竖向加速度与车重成反比,而磁浮力与车重成正比;在计算工况下,桥梁主跨及边跨的竖向位移均满足设计要求的限值,双线列车超载运行桥梁跨中最大位移仅为4.503mm.说明连续梁桥具有较大的刚度,能满足磁浮车辆安全运行的要求;对比列车单双线运行,主跨跨中的竖向位移最大值后者达到前者两倍,而边跨位移的最大值后者仅比前者增大70%,表明双线列车对开运行对桥梁的动力响应存在增大效应.相关研究成果对磁浮线路建设有一定参考意义.

高速列车转向架轻量化设计评估系统构建

转向架轻量化设计是高速列车研发的关键技术之一,针对当前转向架基于轻量化需求进行定制设计后与定制方案的仿真优化评估相脱节等问题,建立了高速列车转向架轻量化设计评估系统的技术架构。以转向架的关键承载部件构架为研究对象,对转向架构架结构仿真评估、结构优化等关键技术进行论述。基于JISE4207标准对构架进行静强度分析和疲劳强度分析,确定危险工况,并基于贝叶斯优化算法对构架进行尺寸优化。优化后的构架质量减轻6.5%。经评估,优化后构架的静强度和疲劳强度满足标准要求,实现了转向架轻量化的目的。开发了高速列车转向架轻量化设计评估系统,以某型高速列车转向架构架为例验证了该系统的可行性。

高速列车转向架动力学设计指标分解冲突博弈协调方法

为解决传统的高速列车动力学性能多目标优化方法缺乏考虑设计指标之间的相互作用且主观性强、可解释性差、效率低等问题,提出一种基于博弈论的高速列车转向架动力学设计指标分解协调方法。首先,基于灵敏度分析结果建立7个动力学性能设计指标与13个转向架设计参数之间的分解映射,分析了动力学设计指标分解中的冲突关系并提取了冲突要素;然后,将互相冲突的动力学设计指标的分解协调转化为一个博弈过程,确定博弈中的决策结构,构建了博弈主体的效用函数并建立冲突性能的主从博弈协调模型;其次,设计一种基于遗传算法和二次规划联合的Nash均衡求解算法,以Nash均衡作为设计指标分解结果;最后,以高速列车稳定性和曲线通过性能的博弈协调为例验证了博弈协调模型与求解方法的可行性和有效性。研究结果表明:该方法不依赖于人工设置即可快速得到与高速列车实际设计参数相近的结果,并且在该结果下临界速度、脱轨系数、轮重减载率等指标均满足要求。引入博弈论进行动力学性能多目标优化不仅可获得直线稳定性和曲线通过安全性相对均衡的动力学性能,还减少了设计迭代次数,提高了设计效率,且所求取的是数学意义上的Nash均衡,极大地降低了主观性。研究成果可为高速列车悬挂系统设计和动力学性能协调优化提供参考。

高速列车受电弓区域气动噪声的尺度效应研究

受限于风洞尺寸和仿真计算规模,研究高速列车气动噪声问题时,通常采用缩比模型。然而,由于受电弓区域的流场结构复杂,缩比模型的使用会导致雷诺数减小,从而改变流场结构,进而影响气动噪声特性。为探明模型尺度对气动噪声声源分布和辐射噪声强度的影响,结合大涡模拟和Ffowcs Williams-Hawkings积分方程,研究高速列车受电弓区域不同缩比尺度下的气动激扰特征、表面偶极子声能和远场辐射噪声声压级。研究结果表明:随着模型尺寸减小,流动主尺度从受电弓上部迁移到受电弓下部。流场变化导致声场主发声源随之迁移,受电弓区域的整体辐射噪声呈下降趋势。1/4、1/8、1/16、1/25和1/50比例的缩比模型辐射噪声分别为97.40,95.39,94.30,92.48和88.1 dB(A)。其中,1/4比例的缩比模型受电弓上部声源声功率占比为32%,受电弓区域整体声源谱型存在2个峰值,峰值频率由弓头和上臂杆产生;而在1/50缩比模型中受电弓下部声源声功率占比为87%,受电弓区域整体声源谱型呈现宽频特征,与受电弓腔谱型特征一致。研究结果揭示模型缩小导致的误差是非线性的,进行缩比模型试验时,需要根据具体的缩比尺度对声源特征进行相应的修正,以便更准确地反映实际情况。研究结果可为缩比模型试验仿真以及未来高速列车的低气动噪声设计提供参考依据。

轨道车辆制动副摩擦自激对车轮磨耗的影响

轮轨周期性磨耗会加剧轮轨动态相互作用,造成车辆系统关键部件发生疲劳断裂,引起车体的异常振动,对乘坐舒适性和运行安全性有较大影响,然而先前研究很少将制动副振动与车轮磨损进行联系。为研究车轮周期性磨耗的原因,通过考虑制动单元的自激振荡对车轮磨损的影响,建立考虑轮轨附着的列车制动系统扭转模型。利用数值方法对制动系统的振动状态进行求解,通过一些非线性理论的相关图谱(系统运动的分岔图、相图、庞加莱截面图、频谱图和时域图等),深入探究制动工况下系统的振动情况,得到制动单元内部因摩擦因数的负斜率特性引起的自激振荡对车轮磨损的影响。研究结果表明:制动系统因摩擦自激产生的不稳定运动仅在车速较低时发生,随着制动速度的降低,当车速低于12.88 km/h时,制动系统会从稳定区间进入振荡区间进而引发制动系统颤振。与此同时,制动系统的颤振会引起车轮蠕滑率的波动,进而影响轮轨间的切向力与轮轨磨损。当制动速度处于振荡区间时,车轮会出现不均匀磨损;当制动速度靠近振荡区间的临界值时,车轮磨损近似均匀;当制动速度处于稳定区间时,车轮纵向蠕滑力近似无波动,车轮不再因制动副的自激振荡产生异常磨损。最后探究了制动压力对系统运动稳定性与轮轨磨耗的影响,发现大制动压力下系统振幅增大,磨损更为明显。探究制动系统对车辆周期性磨耗的影响,可为车轮周期性磨耗机理的研究和控制措施的选用提供参考。

非对称升力翼对高速列车横风气动性能的影响

随着高速列车运行速度的不断提升,横风环境下列车运行安全问题日益凸显。为此,从控制气动升力角度提出一种非对称升力翼结构以期形成抗倾覆力矩,并采用数值模拟方法,对比分析原始车型、全展开升力翼车型和收缩迎风侧升力翼车型的气动载荷及列车周围流场结构,探究横风环境下该结构对列车横风气动性能的影响。研究结果表明:升力翼对高速列车气动载荷及周围流场影响显著;列车安装升力翼后主要改变了车顶和车体背风侧表面压力分布以及车顶、车体背风侧和尾流区域的速度分布;车体顶部由于受到非对称升力翼压力面影响,在升力翼下方车顶区域形成了低速高压区且向车体背风侧延伸;同时,车体背风侧表面压力升高,在升力翼下游车体背风侧空间区域,由流动分离导致的漩涡结构发生了明显改变;相比于原始车型,收缩迎风侧升力翼车型(模型Ⅱ和模型Ⅲ)均可减小列车横向力和倾覆力矩;模型Ⅲ效果最显著,3车编组列车横向力和倾覆力矩分别减少13.19%和11.86%。

地铁列车尾部吹吸气控制对尾流特征的影响

为改善地铁列车尾部流动特征、减小列车气动阻力,提出一种在地铁列车尾部表面吹气及吸气的主动流动控制方法,分析不同吹气形式以及速度下,列车尾部流场及气动阻力的变化,解释列车尾部吹吸气作用下列车气动性能变化的原因。研究结果表明,在尾车施加吹/吸气的主动控制方法可以达到减小列车气动阻力的目的。当吹、吸气速度为0.6U(U为列车速度)时,集中吹气控制的气动减阻效果最为显著,3车编组整车气动减阻率达到了12.9%,非集中吹气次之,为10.9%,吸气控制则为10.3%。尾车吹气控制通过扰动流场来有效抑制流向涡结构,且相比于非集中式吹气,气流方向汇聚于某焦点的集中式吹气可显著提升气动减阻能力;吸气控制则通过吸除尾车肩部近壁区的尾部流向涡,使整车气动阻力降低,但吸气使更强的空气流动加速,使得气动减阻效果下降。因此,建议采用吹气速度为0.6U的集中吹气方式减小钝头列车气动阻力,在该吹气速度下,头车、中车、尾车和全车的气动减阻率分别为0.3%、4.5%、27.6%和12.9%。

轨道交通客车模块化和谱系化综合应用工业设计方法研究

[目的]为解决轨道交通客车工业设计面临的设计难点,需结合工业设计的创新思维和理念,建立轨道交通客车模块化和谱系化综合应用的工业设计方法。[方法]首先对客车设计部件进行模块化分析,将客室部分分为固定模块、可选模块、定制模块,将外观部分分为色彩模块和造型模块;其次对客车设计内容进行谱系化分析,分别从设计需求、演化脉络、产品特征等3个维度建立客车的工业设计谱系;最后根据客车设计特点,构建由以设计需求为依据梳理模块、以演化脉络为导向调整模块及以产品特征为基础组合模块3个步骤组成的模块化和谱系化综合应用的客车工业设计方法。[结果及结论]运用该工业设计方法对中国中车旗下某主机厂客车进行设计,设计实例验证了所构建方法的可行性。采用模块化设计可根据用户需求快速灵活调整设计内容,采用谱系化设计可提高设计的连贯性和系统性,两者相结合可在较短设计周期内完成客车外部和内部设计,有助于提升设计质量并体现品牌特征。