地铁列车刨削式防爬吸能结构冲击力平稳行为参数优化

为提升地铁列车在碰撞过程的平稳性和耐撞性,提出一种刨削式吸能防爬器。该吸能结构因其抗偏载能力强,结构紧凑等优点被广泛应用于地铁列车的端部吸能结构中。以某型地铁列车的刨削式防爬器为研究对象,使用有限元仿真的方式建立该吸能结构的对称简化模型,并结合台车冲击的试验数据验证有限元模型的准确性;通过数值仿真的方式,将刨刀前角(α)、刨刀后角(β)、刨刀宽度(w)和刨削深度(d)作为输入变量,以总吸能量(E_(A))和吸能阶段的平均刨削力(M_(PF))为耐撞性指标,以样本方差(S^(2))作为考核参照,通过全因子法对输入变量进行参数化分析;在此基础上,利用径向基函数构建代理模型,并采用多目标遗传算法(MOGA)对该吸能结构的主要设计参数进行优化设计,以确定结构参数的最佳的配置方案。研究结果表明:在该型刨削式防爬吸能结构的主要设计尺寸参数中,β对E_(A)、M_(PF)以及S^(2)的影响均不明显;α对MPF、E_(A)呈负相关,同时与S^(2)呈正相关;w和d对E_(A)与M_(PF)呈正相关、与S^(2)呈负相关;通过优化设计得到的吸能结构的最优的参数设计方案中:d为3.94 mm;α为7.78°,w为34 mm;最优设计方案的E_(A)提高了5.91%,M_(PF)提高了5.89%,S^(2)降低了45.4%,耐撞性与平稳性得到了提高。研究结果可为地铁列车刨削式防爬吸能结构的设计提供工程参考。

过盈配合工况下收缩管吸能特性分析及结构参数优化

轨道车辆收缩管在轴向冲击载荷及过盈配合下的吸能特性是吸能结构研究中的重要课题,其吸能过程依靠收缩管与锥形衬套之间的摩擦做工及收缩管的塑性变形实现,过盈配合通过影响收缩管与衬套间的接触力提高收缩管的能量耗散。为提高收缩管的吸能特性,研究过盈配合对吸能能力的影响,采用试验与有限元模型相结合的方法,基于多目标优化算法获取包括过盈量在内的收缩管最优结构参数。进行空心轴与轴套过盈静压试验,验证接触力理论公式的正确性;利用台车冲击试验研究收缩管碰撞过程中的吸能特性,构建有限元模型进行验证;推导过盈配合条件下收缩管接触表面压力的理论模型;使用全因子和Hammersley设计方法对过盈配合工况下收缩管结构参数进行研究,包括厚度(T)、过盈量(I_(ntf))、锥角长边(α_(x))和收缩比(R_(atio))。基于此,利用移动最小二乘法(MLSM)构建峰值力(PCF)、比吸能(SEA)和平均力(MCF)的近似模型。主效应分析表明,收缩比对PCF、SEA和MCF的影响最为显著。以获取最小PCF、最大SEA以及MCF最接近设计要求650 kN为优化目标,进行全局响应面(GRSM)优化,获得最优结构配置,与初始设计相比,SEA提高28.54%,PCF降低12.37%。代理模型最优解得出的MCF与有限元模型误差为2.01%,证明构建的代理模型具有较高的精度,可用于优化计算。优化后的结构有效提高了收缩管的吸能能力,降低了碰撞的初始峰值力。

机车前端薄壁吸能管仿真模型模糊参数的支持向量回归反求

为了获得影响耐撞性结构有限元计算精度的准确模型参数,提高冲击仿真的准确性,提出一种基于支持向量回归(support vector regression,SVR)模型进行参数优化反求的方法。以一种机车前端防爬结构中的预压薄壁吸能圆管为研究对象建立有限元模型,进行台车冲击试验验证仿真模型准确性。通过拉丁超立方试验设计驱动有限元模型进行少量计算获得数据集,有限元模型中的模糊参数为输入变量,计算与试验载荷的差异为目标响应,通过SVR方法构建映射关系,并采用增强精英保留遗传算法(strengthen elitist genetic algorithm,SEGA)对超参数进行优化,确定SVR模型最佳配置;通过该最优SVR模型再次使用SEGA优化反求,获得最佳模糊参数组合。使用这组参数组合设置有限元模型,其仿真结果相较初始计算耐撞性指标和载荷曲线匹配程度都得到了提高。研究结果为有限元模型中模糊参数的准确设定、碰撞仿真的精度提升提供了一种新的思路。

热处理工艺对SLM打印波纹管耐撞性影响

为了获得稳定的轴对称变形模式和较好的耐撞性,设计轴向轮廓为正弦曲线的薄壁锥形波纹管。采用SLM制备AlSi10Mg合金试样和波纹管,并进行拉伸实验和波纹管轴向压溃实验,采用实验和数值仿真研究退火、固溶和T6热处理对波纹管轴向压缩下耐撞性的影响。研究结果表明:265℃退火热处理后,波纹管在静压下出现裂纹失效,与未热处理相比,AlSi10Mg合金试样经T6热处理后伸长率由4.7%提升至13.8%,拉伸强度由413.2 MPa降低至135.3 MPa。波纹管压溃力波动范围随伸长率增加而减小。经265℃、2 h退火处理后,波纹管峰值力达到最大为7.11 kN,压溃力波动幅值最大,压溃力效率为65.9%。经T6热处理后,波纹管峰值力降到最小,为4.75 kN,压溃力波动为所有波纹管中最小,吸能量最少,为279.12 J。与T6热处理相比,经295℃、3 h退火热处理后,波纹管平均压溃力达到5.09 kN,提升了16%,吸能量达到最大,为341.24 J,提升了18.5%。为了提升SLM打印的波纹管耐撞击性能,热处理工艺需要在保证伸长率的同时尽量提高材料强度。

基于机器学习的长编重联动车组碰撞能量管理方案优化

为有效缓解交通运输压力,采用动车组重联运行可以成倍提高载客量,然而一旦发生碰撞事故,巨大的碰撞能量将造成严重的乘员损伤和财产损失,长编重联动车组碰撞能量管理已成为重点研究对象。本文提出均匀耗散和集中耗散2种碰撞能量管理模式,以头车和中间车车端的吸能装置平台力和压缩行程为设计参数,基于KNN、MLS、RBF和RF的4种机器学习算法,开展长编重联动车组碰撞能量管理方案优化设计。研究结果表明:预测头车吸能量和中间车自身耗散能量方差的最优机器学习模型分别是MLS和RBF,相对误差均在4%以内;头车和中间车的吸能元件平台力是影响头车界面吸能量的主要参数,中间车吸能装置参数是影响中间车界面碰撞能量分布是否均匀的主要参数;集中耗散模式下头车和重联界面吸收了碰撞能量48.24%,中间车界面吸收了碰撞能量51.76%,该能量分配模式要求头车前端吸能装置具有更高的吸能量;均匀耗散模式下头车和重联界面吸收了22.75%的碰撞能量,中间车界面吸收了77.25%的碰撞能量,该能量分配模式会增大车间距导致列车长度增加;优化获得的2种碰撞能量管理方案都能在时速36 km/h对撞工况下保证长编重联动车组车体结构完整,且车体120 ms最大平均加速度分别为2.64g和2.36g。

高速列车齿轮传动系统机电耦合建模与振动特性分析

为研究高速列车运行过程中齿轮传动系统的振动特性,文章基于多体系动力学理论和交流电传动理论,利用Simpack和Simulink建立了高速列车齿轮传动系统机电耦合动力学模型,并开展了有、无轮轨激励下的振动特性分析,通过对比仿真与实测齿轮传动系统振动加速度时频域数据,验证了模型的准确性。对比有、无轮轨激励工况显示:无轮轨激励时振动幅值较小,在频域上以内部齿轮啮合激励频率为主;而在轮轨激励作用下随着运行速度增加,齿轮传动系统振幅急剧增大,在频域上低速段以齿轮啮频为主,高速段以车轮多边形为主。分相区内外对比显示:电机扭矩作用使齿轮传动系统振动幅值显著增大,且频域中齿轮啮频和车轮多边形主频成分更明显。研究结果表明:由于高速列车齿轮传动系统服役环境的特殊性,电机扭矩、轮轨激励对齿轮传动系统振动存在显著影响,设计时须考虑负载和激励的耦合作用。

基于多孔介质的高速铁路透风式挡风墙关键参数研究

合理的匹配参数是风区铁路沿线防风设施研究的关键问题。针对风区铁路沿线部分区段混凝土实心挡风墙出现的环境风越过挡风墙顶导致严重的弓网离线、无法正常升弓,危及铁路行车安全问题,提出改“堵”为“疏”,通过一定的透风率来调控挡风墙后的线路风场,从而为缓解上述现象提供一种新思路,其关键问题在于透风式挡风墙关键参数与防风效果的合理匹配。为此,基于多孔介质的自身特性,提出一种基于多孔介质的挡风墙风场新研究方法,将挡风墙透风率与防风效果的合理匹配问题转化为多孔介质的阻力系数与列车气动载荷的关系研究。首先,通过比较数值模拟结果与兰新高铁挡风墙风场现场试验结果,修正并验证数值模拟方法的准确性。然后,通过数值模拟研究进一步探究多孔介质阻力参数与挡风墙透风率之间的关系,获得风区铁路沿线透风式挡风墙关键参数最优区间。研究结果表明:可以采用多孔介质代替挡风墙几何进行挡风墙风场研究,能够显著提升研究效率;多孔介质的黏性阻力系数在挡风墙风场研究中可以忽略,多孔介质的惯性阻力系数与挡风墙的透风率呈幂函数关系;风区铁路沿线透风式挡风墙高度为3.5 m,透风率在24.4%~28.7%区间时,对一线、二线列车的防风效果最好。

列车制动盘散热特性分析及拓扑优化

针对紧急制动工况下制动盘散热问题,采用计算流体力学分析方法对某型通风式制动盘进行了散热特性研究。对制动盘内部流道速度场和对流换热等进行评估,在此基础上,采用由N-S方程与达西定律耦合成的Brinkman方程拓扑优化,实现制动盘散热能力提升的优化目标。结果表明:优化后的模型在整个制动工况中散热量提高了13.46%。

桥上脱轨列车姿态演变行为与倾覆风险研究

针对高速列车桥上脱轨后的车体姿态演变行为与倾覆风险问题,通过多体动力学方法,建立八编组整车−桥梁防护墙多体动力学模型并开展数值研究。首先,通过相同工况下多体动力学结果与有限元方法结果,对比验证本文模型的正确性。然后,通过数值模拟分别研究直线空载高速列车、直线满载高速列车、曲线不同离心加速度下高速列车脱轨后的动力学演变行为。研究结果表明:桥上脱轨列车与防护墙发生撞击后,会出现明显的车轮跳起和车体大幅度侧滚现象,各车存在极大从右后向左前翻滚到线路外侧坠落的风险;桥梁曲线脱轨比直线脱轨更加危险,会出现明显的甩尾现象,离心加速度越大,甩尾现象越明显。

基于等效裂纹法的铝合金T形焊接接头疲劳寿命评估

针对焊接缺陷的多样性、复杂性及随机分散性等特征,提出一种以一组高应力疲劳试验结果作为参考点的等效裂纹法开展焊接结构的疲劳寿命研究。以疲劳试验结果作为参考,假设一个完整板中的初始裂纹等效焊接结构中的缺陷及应力集中效应,基于线弹性断裂力学和Paris公式计算等效裂纹扩展寿命作为焊接结构的疲劳失效寿命。提出基于等效裂纹法的结构疲劳寿命计算流程;开展铝合金T形焊接接头的疲劳试验以及拟合P-S-N曲线;基于T形焊接接头的焊根失效模式采用等效裂纹方法预测T形接头的计算P-S-N曲线,并与试验拟合曲线进行对比,相对误差为10%,验证了该方法的可行性与有效性;最后,通过一组变幅载荷谱疲劳试验与预测P-S-N曲线对比,相对误差均小于15%,同时也验证了该方法对于变幅载荷的适用性,实现了基于一组疲劳试验结果预测全范围T形焊接接头疲劳寿命的评估。以较少的测试和成本实现确定的疲劳寿命,简化了概率疲劳寿命的评估过程,该方法可以推广于其他焊接接头寿命评估中。

送风方式对高速列车通风和呼吸污染物扩散特性的影响

高速列车交通网络发达且载客量大,但车厢环境封闭易造成污染物的堆积,为提高乘车舒适性和安全性,基于计算流体动力学理论(CFD),建立满载工况的全尺寸车厢通风计算模型.针对排风口位于两侧车窗上端的排风方式,采用速度不均匀系数、温度不均匀系数、能量利用系数和通风效率作为列车通风系统的评价指标,对比研究6种送风方式对车厢内流场特性和呼吸污染物扩散特性的影响,包括多孔顶板送风、下部送风、多孔顶板送风+下部送风、局部多孔顶板送风、侧顶送风、局部多孔顶板送风+侧顶送风.研究结果表明:通过调整风口之间的流量分配比例可以使送风气流均匀地流向客室两侧,改善车内温度均匀性;采用下部送风时,有助于提高通风系统的能量利用系数和通风效率,分别高达1.38和1.21,但会恶化车内乘坐舒适性;通过研究乘客之间呼吸污染物的相互影响情况发现,第C列乘客的呼吸污染物容易向第B列乘客的呼吸区域进行扩散,加剧乘客之间的交叉感染;通过减小多孔顶板的送风口尺寸,采用局部多孔顶板送风可以有效缓解该现象,使污染物的体积浓度下降至0.0019.

服役损伤对制动盘疲劳裂纹扩展行为的影响

制动盘是高速列车制动系统的重要元件,其复杂的服役工况会使制动盘出现多种形式的服役损伤,影响制动盘后续的可维修性和服役安全性。选取未服役制动盘和产生翘曲变形且摩擦面出现疲劳裂纹的服役后制动盘为研究对象,通过测试服役前后制动盘材料在不同温度下的拉伸力学性能,构建了受摩擦面深度和温度双参数影响的力学性能衰退模型来表征制动盘的材料损伤。通过构建不同制动工况下制动盘三维瞬态仿真模型,得到了服役后制动盘的结构变形和残余应力状态来表征制动盘的结构损伤。基于Paris理论进行制动盘疲劳裂纹扩展寿命分析,评估了服役损伤对制动盘疲劳裂纹扩展能力的影响。结果表明:长期服役后制动盘本体材料力学性能会发生衰退,从摩擦面表层至心部呈现梯度分布,近表层材料强度下降约20%,制动盘残余应力释放后会使盘体产生碟形翘曲变形。服役后制动盘的力学性能衰退使裂纹前缘的应力强度因子水平显著高于服役前制动盘,摩擦面中部裂纹沿制动盘径向的扩展速率大于沿深度方向,使裂纹深长比不断减小。与服役前制动盘相比,服役后制动盘摩擦面中部裂纹从0.5 mm扩展至70 mm的扩展寿命降低了48%。螺栓孔处疲劳裂纹扩展初期主要沿深度方向扩展,随着裂纹尺寸增加沿制动盘径向与深度扩展速率逐渐一致,服役后制动盘螺栓孔裂纹从0.5 mm扩展至50 mm的扩展寿命与服役前相比降低了29%。本文的研究方法可用于不同损伤程度的制动盘本体性能表征与失效分析,对服役后制动盘的检修维护、保障制动盘的安全运用具有工程参考价值。

地铁车厢拉环创新设计研究

拉环是地铁车厢内的重要部件,为乘客的出行安全保驾护航。乘客处于站立状态时,需要依靠拉环的辅助保持自身平衡,并以此确保人身安全。对于地铁车厢内饰设计整体效果而言,拉环具有比较显性的视觉影响,因此拉环设计的创新既要与车厢的内饰风格相协调。

不同初始姿态下城际列车车钩碰撞特性及脱轨风险分析

列车碰撞时车钩缓冲装置经常存在初始姿态偏置,影响列车运动姿态,增加脱轨风险。本文以某城际列车全自动车钩为研究对象,建立车钩非线性有限元模型,并与台车冲击试验进行对比验证,在此基础上建立城际列车头车对撞模型,研究初始位移偏置和角度偏转对车钩的碰撞特性及列车脱轨风险的影响。研究结果表明:随着初始偏置及偏转程度的增加,车钩点头角及摇头角稳定值逐渐增大,且不同初始姿态对车钩转角的影响程度不同,点头角对初始垂向偏置和点头偏转较为敏感,摇头角对初始横向偏置和摇头偏转较为敏感。此外,初始姿态对主动车的轮对抬升有重要影响,当车钩点头角随偏置及偏转增大而明显增大时,车体所受垂向力增加,转向架轮对抬升量变大,列车更易出现脱轨现象。

地铁列车脱轨防护装置方案

[目的]在自然灾害、车辆或轨道关键部件失效、外部冲击等不可预知的复杂状态下,地铁列车仍有可能会发生脱轨。因此,对列车被动脱轨防护装置方案的研究十分必要。[方法]建立地铁列车多体系统动力学非线性仿真模型,采用典型的车轮踏面外形和典型钢轨外形匹配,根据地铁列车运行的线路特点,提出地铁列车脱轨防护装置的三种方案,对其进行了低速运行条件下的脱轨工况仿真。针对仿真结果,综合考虑防二次爬轨脱轨的效果、安装部位的强度,以及脱轨后铁轨与脱轨防护装置发生碰撞而对车辆造成的损害,提出了在构架下端安装防脱轨横向止挡作为脱轨防护装置的方案。针对该地铁列车脱轨防护装置,进行了动力学仿真分析,并与无防护装置工况进行对比。[结果及结论]地铁列车脱轨防护装置具有明显的防脱轨效果,且具有一定的可行性。地铁列车脱轨防护装置动态包络线符合某地铁线路的限界要求,不会影响列车正常行驶,可以进行工程应用。

考虑过盈配合的抗侧滚扭杆寿命预测

抗侧滚扭杆用于提供限制车辆侧滚角度的侧滚力矩,可以提升列车运行的平稳性和安全性。文章以某型动车组用抗侧滚扭杆为研究对象,在考虑抗侧滚扭杆的扭杆轴与扭转臂过盈配合的前提下,基于FKM准则对抗侧滚扭杆进行静强度和疲劳寿命评估。结果表明,该抗侧滚扭杆在极限载荷和疲劳载荷工况下的利用度均小于1,同时满足静强度要求和疲劳寿命要求。

考虑焊接质量的铝合金车体关切焊缝的疲劳寿命预测

利用裂纹扩展分析方法和质量分类法研究铝合金车体含缺欠焊接结构的疲劳寿命问题。首先,研究IIW:2015的基于Paris定律的裂纹扩展分析的理论基础和BS 7910:2019的基于考虑焊接缺欠质量的S-N曲线的质量分类法的算法原理;其次,归纳总结了这2种方法进行考虑焊接质量的焊接结构疲劳寿命评估流程;再次,在疲劳载荷作用下,基于BS EN 1999-1-3:2007的名义应力法对某动车组铝合金车体进行疲劳分析,确定车体疲劳关切焊缝部位;最后,分别利用裂纹扩展分析方法和质量分类法对车体关切焊缝侧门下角进行考虑初始裂纹的疲劳寿命评估。结果表明:基于质量分类法的剩余寿命为1.4×106次,基于裂纹扩展分析法的剩余寿命为2.64×106次。

速度160 km/h列车通过隧道时侧向气动力变化特征

[目的]我国某动车组以160 km/h的速度在明线运行时列车平稳性良好,但通过单线隧道时尾车出现周期性横向晃动的问题,需要对该动车组过隧道时列车气动特性进行深入研究。[方法]采用数值模拟方法,基于RNG k-ε湍流模型和滑移网格技术,建立了带有转向架的某动车组的三维可压缩瞬态仿真模型,研究了列车通过隧道时尾车表面压力变化情况;同时,在时域和频域内分析了列车侧向气动力特征的瞬态性质。[结果及结论]由于隧道壁面对空气流动的限制和列车尾绕流的作用,列车通过隧道时车体两侧存在压差并呈现出交替变化的特征,并且尾车侧向力交变特征更明显;列车所受侧向力具有低频周期性交变特点,主频约为2.2 Hz,且在尾车刚进隧道时气动效应最强,侧向力波动幅度最大;列车侧向力变化值可作为车辆横向平稳性分析的边界条件。

耦合排障−吸能的高速列车排障器结构双尺度拓扑优化设计

排障器置于列车前端,先于车体冲击排开轨道上的障碍物。在列车速度或障碍物尺寸发生改变时,排障器结构在刚度和吸能特性上具有不同的设计要求。为了设计一种耦合排障−吸能的结构形式,提出一种整体大刚度(排障)、局部结构降低冲击力(削峰吸能)的双尺度优化设计方法。该方法在以刚度为目标的整体结构初设计中确定变形区间,并在串行路线下完成以引导结构变形为目标的局部结构优化,最终形成新型排障器。研究结果表明:在基于标准EN 15227的静载荷工况下,新型排障器结构的质量降低了7%,同时,结构安全性提升;在冲击刚性墙仿真中,相较于原有排障器,新型排障器的峰值力降低了17.5%,且优化后的缓冲梁结构使排障器中部产生的弯折变形变为压缩变形,有效缓解了排障器后侧对车体结构的挤压现象。

高速转向架结构特点及其分析

转向架是高速列车核心关键部件,决定了高速列车能否高速、平稳、安全运行。文章在介绍国内外典型高速列车转向架结构组成的基础上,总结了高速转向架普遍采用的结构特征,如H型构架、低锥度车轮踏面、空心轴轮对、转臂式轴箱定位、冗余抗蛇行减振器结构、大柔度空气弹簧悬挂、二系垂向减振器等;从高速列车安全平稳运行的要求出发,分析了这些结构特征所带来的优势,特别是对车辆系统动力学的影响,以及相关设计时需要注意的问题;提出了未来高速转向架的创新研究方向。