时速400 km高速列车通过隧道诱发车体横向振动的气动机制研究

为研究列车以更高速度通过双线隧道时,由于列车和隧道形成的几何空间为非对称空间,列车两侧空气非对称流动,隧道内复杂的压力环境作用至车体两侧和列车尾涡引起的车厢两侧压力变化、列车车体表面压力波动与气动力相互关系和车体振动频谱特征,采用三维非定常可压缩流动N-S方程和IDDES湍流模型,建立时速400 km高速列车1∶1的8节编组空气动力学仿真模型,使用重叠网格技术模拟列车与隧道之间的相对运动方法。研究结果表明:1)隧道内行驶的列车在隧道压力波作用下会使车厢两侧出现压差和侧向力幅值的大范围变化,且变化程度由头车向尾车逐渐增大;2)列车在隧道内运行时的尾流区存在1对反向涡旋;3)尾车明线段涡脱落主频率为2.002 Hz,隧道内运行时,涡脱落频率为3.003 Hz;4)列车在明线或隧道内运行,车体气动侧向力和摇头力矩引起的车体振动频率为2.002 Hz。

动车组车体模态频率贡献度和改进方法研究

针对高速列车车体低阶模态频率提升过程中,传统灵敏度分析方法存在的设计变量繁多和难以识别出优先改进部件的难题,提出了一种新颖的车体模态频率贡献度评估与结构改进方法。重点分析了铝合金车体板件厚度与模态频率的灵敏度关系,并在此基础上提出了部件模态贡献度概念,推导和建立了描述部件模态频率灵敏度与贡献度的数学模型。通过对动车组车体中各铝型材的贡献度进行计算,详细分析了车顶、侧墙、底架等六大部件对前3阶模态频率的影响。研究揭示,部件模态贡献度表示了局部部件对整体结构模态影响的大小,呈现了灵敏度无法显示的全局量化指标。车顶部件对车体前3阶模态的贡献度最大,侧墙和底架居中,底架边梁、端墙和牵枕缓最小。车顶与侧墙、侧墙与底架连接处的型材对低阶模态产生了显著影响。通过增加内外板厚度并适度降低内部筋板厚度的策略,可提升1阶垂弯模态频率。应用所提出的方法,基于车体54个部件模态贡献度,成功甄别出车顶和连接处型材等优先优化部件并进行了改进,实现了1阶垂弯模态频率从9.5 Hz提升至10.2 Hz,同时将车体重量增加控制在43 kg以内,验证了方法的有效性和高效性,为车体模态频率的优化提供了清晰的路径。该方法具有广泛的适用性,可推广应用于其他领域的结构模态改进。

基于隐式参数化模型的地铁车体轻量化设计

为实现地铁新车型前期快速的概念设计和性能评估,引用“分析驱动设计”理念对重庆6号线地铁的MP车体进行了隐式参数化建模;并录入车体的17个主要钣金件进行设计分析。以板厚为设计变量,筛选出模态和刚度对质量相对灵敏度较大的7个车体钣金件,进行基于响应面法的多目标轻量化优化设计;车体的刚度、模态等多项性能指标达到了良好的轻量化效果。研究结果表明:所引入“分析驱动设计”理念的车体隐式参数化建模及基于响应面法的多目标优化方法能应用于车体结构的轻量化设计,具有较好的工程指导意义。

基于虚拟迭代法的跨座式单轨车辆车体疲劳分析

跨座式单轨车辆的车体作为列车的主要承载部件,其疲劳强度对列车的安全运行起着至关重要的作用。为提高单轨车体疲劳分析精度,模拟出单轨车辆运营实践中车体的疲劳损伤,对单轨车辆车体进行柔性化处理,建立包含柔性车体的跨座式车辆刚柔耦合动力学模型,采用虚拟迭代法,在车辆特征部位施加白噪声作为初始输入激励,以跨座式单轨车辆线路实测加速度为目标信号,对车辆模型仿真响应谱与试验实测响应谱进行系统识别与反复迭代,获取车体与车辆其他部件连接位置处激励谱。基于虚拟迭代激励谱获取高精度载荷谱,根据线性疲劳损伤理论对跨座式单轨车辆车体开展疲劳损伤与寿命分析,提出车体结构改进方案。分析结果显示:疲劳仿真结果与车体实际损伤位置具有良好的一致性,验证了采用虚拟迭代法获取的车体载荷谱开展的疲劳分析结果具有高精度;结构改进方案使车体结构改进位置处寿命提高了191%。

基于不同标准的煤炭漏斗车车体焊缝疲劳寿命研究

利用接触非线性分析技术,基于AAR标准的名义应力法和ASME标准的结构应力法研究煤炭漏斗车车体焊缝的疲劳问题。首先,建立漏斗车重载车体强度分析模型,利用修正D-P本构模型的实体单元模拟散粒煤、接触单元模拟散粒煤与车体结构的作用,并通过主要载荷作用下车体静强度试验结果验证车体仿真分析结果,应力最大误差小于15%。其次,运用名义应力法,在标准和实测载荷谱下分析车体焊缝疲劳寿命,结果表明:端墙与端漏斗板焊缝寿命最短,为2.72×10^(6)km;基于标准纵向载荷谱的焊缝寿命小于基于实测的计算结果,表明标准的纵向载荷谱相对恶劣。最后,在标准中100t漏斗车重车心盘载荷谱和实测纵向载荷谱下运用结构应力法对车体焊缝进行应力与寿命分析。结果表明:基于结构应力法的焊缝疲劳寿命不及基于名义应力法的疲劳寿命,主要原因是结构应力法的疲劳性能参数适用于各类接头形式,且分析承载复杂焊缝时考虑了面内剪切结构应力的影响。因此,对接头几何形状和应力状态复杂的车体从板座及底架区域的焊缝建议采用结构应力法对其进行疲劳寿命分析。

不锈钢车体激光焊连接的模拟方法及强度评估

采用有限元分析方法研究不锈钢车体侧墙激光焊连接的模拟方法与强度分析问题。首先,分别建立实体单元、薄壳单元及梁单元模拟半熔透搭接激光焊连接强度的分析模型,以及梁单元模拟不同焊缝长度的分析模型,并在相同计算条件下,通过对比分析确定了适用于复杂结构激光焊连接强度分析的焊缝单元类型;其次,基于GB/T 37778—2019和接头疲劳试验数据及不同焊缝长度模型的分析结果,总结适用于复杂结构激光焊连接静强度与疲劳强度的评估方法;再次,建立某弧焊-点焊-激光焊的不锈钢车体结构强度分析模型;最后,在EN 12663-1:2010+A1:2014规定的静态与动态载荷工况作用下,分析不锈钢车体侧墙激光焊连接强度。结果表明:AW3状态车钩压缩工况的车体侧墙中部上边梁区域的激光焊梁单元的最小安全系数为1.03;车体侧墙激光焊区域的梁单元的计算剪应力变化范围均远低于106次和107次的疲劳强度值,侧墙激光焊连接疲劳强度冗余大。

动车前端承载结构拓扑优化及车体动态承载极限分析

使用OptiStruct软件,对车体前端承载结构进行拓扑优化,以体积分数为约束,以最小应变能作为优化目标,通过优化结果对车体前端骨架结构进行重新排布。对优化后的车体在车钩安装座、前端吸能结构及防爬器三个不同位置加载,完成刚性墙对车体冲击过程仿真。对车体在冲击过程中冲击力-时间曲线和不同时刻应力分布进行分析,得到车体弱刚度区域,通过应力变化临界点确定车体承载极限。对弱刚度区域不同组件的能量-时间曲线与上述承载极限结果进行验证。结果表明,优化后车体前端刚度大幅提升;在车体承载极限内,不同位置加载对车体承载极限影响较小;通过弱刚度区域各不同组件的能量-时间曲线可以准确地找到车体承载极限达到临界点的时刻,为车体动态承载极限提供数据分析。

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。

高速列车接地系统对车体电流及过电压分布的影响分析

高速列车独特的轮轨耦合移动接地系统在其行车安全方面起到关键作用,不合理的接地设置无法有效降低车体暂态过电压幅值,会造成设备绝缘击穿,同时,窜入车体的环流会恶化车载设备、轴承的电磁环境,车载设备与人员安全也需要得到充分保障。因此,对高速列车的移动接地系统性能研究,需要兼顾接地电流与车体过电压两项重要指标进行优化改进,服务于提升动车组长期的服役性能。以吸上线区间和电分相区间的“车-所-网”供电和回流系统为例,对动车组车载设备进行参数测量,对“车-所-网”供电系统进行等值计算。基于车载关键设备的实测阻抗参数,构建“车-轨-网”牵引供电系统的等效电路模型,研究车载牵引供电系统高压侧操作过电压特性以及车体过电压的传播规律,解析列车接地系统对车轨环流及车体过电压分布的影响机制,并结合接地回流及车体过电压两方面指标,对比不同接地阻抗参数及布局方式对车体过电压与车轨环流的影响规律。最终,获得一套基于调整电阻、电感以及接地方式的平衡了电压与电流的优化方案。

APM300型轨道车辆车体碰撞时能量变化研究

为探究APM300型轨道车辆车体碰撞时能量变化的规律,文章建立碰撞理论模型,利用ANSYS软件,根据EN 15227:2020标准,同时参考国内外相关机车车辆耐碰撞设计规范及准则进行计算。分析AW0和AW2载荷下6辆车编组APM300型轨道车辆在5 km/h、8 km/h、12 km/h、13 km/h、15 km/h碰撞速度下的能量分布。研究发现,在初始动能较低时,碰撞产生的能量主要被车钩吸收,随着初始动能的提高,车辆速度约在12 km/h以上时,头车车钩缓冲装置和中间车车钩缓冲装置吸能逐渐平稳,随着速度越高吸能占比逐渐降低,车体吸能所占的比例越来越高。车辆速度在15 km/h时,碰撞的能量变化仍满足EN 15227:2020标准的要求,但随着速度和载荷的增加,剩余动能所占比例越来越大,剩余动能过大而引起猛烈的冲击,导致乘客室内加速度过大,故APM300型轨道车辆极限碰撞速度建议设置为15 km/h。找到车体吸能与速度和载荷的变化规律,可以为车体结构刚度的设计以及车钩吸能缓冲器的选型提供理论依据,为车体结构工程师提供更多的理论数据。

气动载荷对高速列车车体强度的影响研究

随着列车运行速度的提高,气动载荷对车体强度的影响越来越显著。文章以某动车组车体为研究对象,首先基于有限元分析软件建立了车体有限元模型,然后参照其模拟仿真的明线会车压力波数据,采用时间积分的方法将车体测点瞬态压强转化为整个侧墙表面的气动载荷,依次加载多工况载荷来模拟整个会车过程,最后在车体上选择“关注点”,对比气动载荷加载前后“关注点”当量应力,分析计算气动载荷对车体强度的影响。试验结果表明,气动载荷对车体门角、窗角及车顶设备安装处强度影响较大,最大强度贡献率达到了37.3%,出现在第三车窗窗角处。在车体强度评估过程中考虑气动载荷是相当有必要的,通过时间积分可将瞬态压力波转化为多工况来模拟会车过程中的气动载荷作用。

碳纤维磁浮车体强度及无损检测技术研究

碳纤维磁浮车体结构复杂,在服役过程中承受复杂载荷的作用,为评估碳纤维磁浮车体的强度特性,提出了碳纤维复合材料强度和超声相控阵无损测试方案。首先对车体进行了整车无损检测,检测车体在制造工艺和装配过程中产生的初始缺陷。然后对车体进行了强度试验,验证车体的结构强度是否满足设计要求,每个强度试验工况后对结构异响区域、应力异常区域和高应力区域进行了超声相控阵无损检测,确认试验过程中的车体状态。最后对车体再次进行了整车无损检测,确认车体完成强度试验后的车体状态。测试结果表明,碳纤维磁浮车体结构满足强度要求,无损检测结果满足评定准则要求。所提出的碳纤维复合材料强度及超声相控阵无损测试方法,可以有效满足碳纤维磁浮车体静强度测试。

基于正交试验法的铝合金车体高压水清洗喷嘴结构优化

抑尘剂等复杂的化合物黏着在铝合金车体上,导致车体污染十分严重,高压水射流清洗方法能够有效去除铝合金车辆车体表面黏着的化合物。通过分析圆柱形、锥形、文丘里形和余弦形喷嘴的射流流场分布、射流出口速度、最大壁面静压、相同清洗宽度下压力值范围,得到余弦形喷嘴的清洗性能最佳,锥形喷嘴次之。基于正交试验法设计五因素、四水平正交试验表,得到常用清洗压力下余弦形喷嘴的最优结构参数:进口直径为40 mm、出口直径为20 mm、过渡段半径为40 mm、出射段长度为25 mm、过渡与余弦部分长度比为4。按照最优喷嘴结构参数进行建模,得到三组压力值下高压水出射速度比未优化前提高了2%,且优化效果随着入口压力值的提高而有所下降。在优化后的喷嘴结构参数下进一步计算得出入口压力为10 MPa时,靶距设置为250 mm能达到较好的清洗效果和节能作用。

机车车体枕梁关键含缺陷结构疲劳寿命评估

为研究枕梁含缺陷结构服役安全问题,首先,基于有限元仿真对比不同尺寸下的底架枕梁结构刚度、挠度,根据最佳结构试验尺寸开展等效疲劳台架试验,获取焊缝关注点的应力分布状态及潜在裂纹位置,并验证枕梁结构与仿真模型的一致性;然后,基于BS 7910:2019标准中结构完整性评估方法,通过引入当量化裂纹缺陷获得结构临界失效状态,实现关键焊缝区域的寿命预测,同时结合断裂力学数值仿真方法,从仿真角度实现局部模型结构的裂纹扩展模拟,对含裂纹缺陷结构的损伤容限进行分析;最后,对比分析基于标准评估的理论方法与数值仿真方法结果的可靠性和差异性。研究结果表明:枕梁子模型结构台架试验与仿真模型的应力分布具有较好的一致性,枕梁结构薄弱区域集中在垂向减振器角焊缝位置,基于BS 7910:2019标准和数值仿真计算得到的减振器座角焊缝表面缺陷临界深度分别为6.50 mm和7.85 mm,对应疲劳载荷循环数分别为1.029×105和1.121×105次,两者评估结果具有较好的一致性。

基于天棚-PID算法的履带车体振动控制研究

随着履带式高炮的快速发展,对行进间车体平稳性提出了更高的要求,因此研究在不同路面下如何减小履带车体振动具有重要意义。在对履带车体进行合理简化的基础,建立拉格朗日运动方程,并引入状态方程进行计算。其次,利用Simulink搭建了履带车体模型,分析了车体在B、D、F级路面下以25 km/h速度行驶时的车体振动情况。然后采用PID控制和天棚-PID控制对模型进行优化。仿真结果表明:从B级、D级到F级路面,传统、PID和天棚-PID控制方式下车体振动的平均增幅分别为5倍、4倍和2倍,天棚-PID控制算法的稳定性较好;在相同等级路面时,采用天棚-PID控制的减振效果明显,车体垂向位移和俯仰角的减缓程度比PID控制提升接近40%,车体横滚角的减缓程度比PID控制提升50%以上。因此,采用天棚-PID控制的履带车体在颠簸路面行驶更加平稳。

基于实测应力谱的重载电力机车车体损伤特性及剩余寿命评估

针对重载电力机车车体损伤特性及剩余寿命评估问题,对某型重载电力机车车体底架纵向力传递及设备悬挂部位的7个测点进行了动应力测试,计算了各测点处的损伤并评估了剩余寿命,结果表明:除测点1的重车损伤略低于空车损伤外,其他6个测点的重车损伤均不同程度高于空车损伤,车底悬挂设备的振动加剧了空车状态下测点1的疲劳损伤累积;各测点均有较为富裕的剩余寿命,测点5的剩余寿命最低,为1.15×10^(8)km,表明当车辆服役至其设计寿命后,仍有足够的安全运行裕量。

基于车体加速度的超大跨度桥上线路纵断面优化方法

合理的线路纵断面是高速列车安全平稳通行的必要条件。超大跨度铁路桥梁成桥线形较设计线形易出现较大偏差,由于线路调整能力有限,桥上线路纵断面难以达到设计高程,故需在成桥线形基础上变更线路纵断面设计。在满足道床厚度要求的前提下,变更后的纵断面线形难以满足线路设计规范要求,严重影响了工程验收及列车达速运营。为此,以实测桥梁线形为基准,充分考虑道床厚度及线路衔接,依据傅里叶级数原理建立线路线形频域特征与车体加速度的关联关系,进而构建纵断面目标优化模型,提出一种适用于超大跨度铁路桥上线路纵断面的优化方法。以某超大跨度悬索桥为例,研究结果表明:该方法可使线路纵断面的最小波长远离车体加速度敏感波长,降低车体振动加速度;优化后的线路纵断面车体加速度响应最大值为0.15 m/s2,优于工程实际中所采用的多坡段纵断面;优化后的线路纵断面具有良好的平顺性及适应性。本方法可直观反映优化后线路纵断面的频域特性,并从波长的角度实现了纵断面优化与高速列车行车性能的关联,可用于指导桥上线路纵断面设计及优化。

基于车体接地电流的故障列车精准识别方法

针对专用回流轨直流牵引供电系统发生正极与车体短路故障时,故障列车不能被精准识别的问题,首先给出了双边供电牵引系统等值模型,其次分析了故障列车和正常列车的车体接地电流特征差异,最后提出了一种基于车体接地电流的故障列车精准识别方法。所提方法采用列车的车体接地电流幅值和方向作为故障识别判据,当其幅值小于整定值时判断列车正常,当大于等于整定值时继而采用其方向进行判断,电流为正方向的列车被判为故障车,电流为反方向的列车被判为正常车。该方法原理简单,实现方便,实用性强,采用双重判据能有效避免误判,可靠性高。通过Matlab仿真和现场试验录波验证了方法的可行性和有效性。

道岔冲击激扰对高速动车组车体弹性抖动的影响分析

为探究高速动车组通过道岔区域后车体的弹性抖动,建立考虑车体弹性的高速动车组刚柔耦合动力学模型和道岔冲击激扰模型。根据模型分析道岔冲击激扰作用下车体的弹性振动响应特征,通过仿真复现高速车辆的抖车现象,并与现场测试数据进行对比。在此基础上,分析车辆过岔速度、道岔激扰个数和道岔间隔对高速车辆车体弹性抖动的影响规律。结果表明:道岔冲击会导致车体1阶菱形耦合共振;车辆过岔速度对车体弹性抖动有显著影响,当车速达到300 km/h时,车体出现明显弹性抖动;连续道岔激扰会使车体横向振动叠加放大;车体横向振动加速度与道岔间隔之间存在非线性关系,当道岔间隔在50~80 m范围时,车体弹性振动更剧烈。研究结果可为寻找控制高速车辆弹性抖动的有效措施提供一定理论参考。

柔性车体与构架对车辆振动响应的影响分析

文中为在车辆多体动力学仿真中将车体和构架考虑成柔性体,使用有限元子结构分析,对车体和构架有限元模型进行缩减。通过刚柔耦合多体动力学仿真,获得车辆线路实际测点处振动加速度响应,并与实测数据进行对比,研究柔性车体与构架对车辆振动响应的影响。研究结果表明:相对于多刚体动力学模型,将车体和构架柔性化处理后进行仿真,车辆在更多频率处的振动响应会增大,计算得到的测点振动加速度均方根值也更大,与实测数据更接近,证明了在进行车辆系统动力学分析时将车体和构架考虑为柔性体的必要性。