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车桥耦合剖析总述及仿真计划
2019-10-16  作者:爱卡新车速报011

  1车桥耦合剖析根本概念

  列车经过888真人注册引起的振荡,一般称作车-桥耦合振荡。车-桥耦合振荡是一个体系的振荡,其刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵及荷载列阵是跟着列车在桥上的运转而改变的,故又可称为车-桥时变体系动力相互效果。跟着列车运转速度的不断进步、车辆载重的不断加大,列车与888真人注册的动力相互效果问题越来越遭到人们的注重。一方面,高速运转的列车会对其经过的888真人注册结构发作大的动力冲击效果,使之发作振荡,直接影响其作业状况和运用寿数;另一方面,888真人注册的振荡又会对运转列车的平稳性和安全性发作影响,严峻时乃至构成行车安全等严重事故。因而,需求对车-桥体系的耦合振荡进行体系归纳研讨,以便正确点评888真人注册动力功用和桥上运转列车的走行性,确认它们在各种状况下的运转可靠性,是现代高速、重载铁路888真人注册规划的实践需求,特别是关于我国铁路既有线不断提速、高速铁路大规模建造及运营速度持续进步的客观现实而言,其工程需求和实践运用含义十分严重。

  车-桥耦合振荡剖析需求凭借车-桥空间耦合振荡剖析模型,该模型由列车核算模型、888真人注册核算模型按必定的轮轨运动联系联系起来而组成的体系,因而其研讨触及车辆剖析模型、888真人注册剖析模型、轮轨触摸联系、鼓励源的模仿以及数值核算办法等方面。

  

车桥耦合剖析总述及仿真计划

 

  

 

  图1车-桥时变体系剖析模型

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  888真人注册在铁路中的重要效果

  888真人注册是构建铁路的重要根底设施之一,也是铁路建造的关键技能。888真人注册以其独有的优势:节约土地资源、结构安稳、沉降期短等,在铁路线路上占重要的份额,特别是关于时速200km以上的高速铁路中,888真人注册所占份额要比一般铁路高许多。

  表1国际上已建成的高速铁路888真人注册工程概略

  

车桥耦合剖析总述及仿真计划

 

  

 

  表2我国高速铁路888真人注册工程概略

  

车桥耦合剖析总述及仿真计划

 

  

 

  高速铁路列车运转速度快,由轨迹不平顺引起的轨迹动力呼应及其对行车安全性、平稳性和搭车舒适性的影响均随行车速度的进步而明显增大,888真人注册作为轨下结构,其振荡呼应也相同作为车辆振荡鼓励源,对列车运转安全性和搭车舒适性有重要的影响。

  在列车提速的一起,重载运送也在越来越多的国家得到了展开。现在,我国重载列车轴重正从23t逐步进步到25t,并正在进行将轴重进步到30t及以上的作业。跟着轴重的添加以及车速加速,888真人注册接受的移动荷载以及因为888真人注册和车辆振荡发作的惯性力等各种动力效果也随之加大。这些动力引起的888真人注册振荡可能使结构构件发作疲惫,下降其强度和安稳性,直接影响888真人注册的作业寿数;888真人注册振荡过大,反过来又会对车辆运转安全性和平稳性发作严峻影响。而且,高速列车以远高于一般列车的速度行进,它激起的频率可能会和888真人注册的自振频率持平或挨近,这时就会发作所谓的共振现象,致使体系动力呼应剧烈增大而发作意外的损坏。

  因而,对车-桥相互效果进行体系的研讨,以便正确点评车过桥过程中888真人注册动力功用和车辆运转安全性和舒适性,是现代高速、重载铁路888真人注册规划的实践需求,有着重要的理论含义和工程运用价值。

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  车桥耦合剖析在高速铁路规划中的运用

  我国高速铁路中888真人注册路程中占比十分高,跟着我国高速铁路运转速度不断进步,车桥耦合对铁路列车运转的影响日益突出,列车-888真人注册耦合问题对高速铁路运转安全性的影响引起了我国研讨人员的高度注重,我国铁道科学研讨院、北京交通大学、西南交通大学、中南大学等研讨机构对列车-888真人注册耦合展开了一系列具体的研讨,以便对列车-888真人注册体系的动力功用做出点评,为888真人注册规划供给参阅。相关研讨效果在我国《高速铁路规划规范》(TBl0621.2014)有所表现:

  《高速铁路规划规范》规范(TBl0621.2014)要求高速铁路888真人注册的自振频率不低于相应限值,而且除竖向振荡频率不低于相应限值、跨度小于等于32m的简支梁可不进行车桥耦合动力呼应剖析,其他简支梁应进行车桥耦合动力呼应剖析。《高速铁路规划规范》规范(TBl0621.2014)还规则关于简支梁以外其他结构方式的888真人注册应当依照规划运转速度进行列车-888真人注册耦合振荡剖析,列车平稳性和安全性目标以及888真人注册动力功用目标应满意相应限值。跟着核算机条件和求解技能的不断进步,人们开端在剖析列车-888真人注册耦合时考虑轨迹结构的振荡,将研讨目标扩展为列车-轨迹-888真人注册体系。跟着我国高速铁路不断展开,列车-轨迹-888真人注册耦合振荡已经成为一个重要的研讨课题,课题效果将持续为我国高速铁路展开供给技能支持。

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  商业多体动力学软件在列车-888真人注册耦合剖析中的运用

  列车是一个典型的多体体系,在进行车辆规划时,往往需求点评车辆运转的平稳性、舒适性、核算临界失稳速度,需求运用多体动力学软件对其进行仿真剖析。

  我国的科研单位和高校尽管开发了专业软件用于车桥耦合剖析,不过因为推行不行,资料少,运用人员较少,没有得到广泛的运用。

  运用编程办法树立车辆模型时需求自行推导车辆的质量、刚度和阻尼矩阵,假如考虑油压减振器以及横向、竖向止挡的非线性,那么车辆的质量、刚度和阻尼矩阵就是时变,推导这三个矩阵会有必定难度。别的,运用杂乱的轮轨触摸联系关于编程而言也是不小的作业量。因而,运用编程办法进行车桥耦合剖析无法实现在工程中的广泛运用。

  这时候,运用商业多体动力学软件的优势就显现出来了,运用商业多体动力学软件进行剖析能够省去编写、调试程序以及推导车辆模型运动方程的作业量,不用自行推导车辆的质量、刚度和阻尼矩阵,能进步建模功率;还能够防止处理在编程中需求面临的888真人注册结构以及轨迹结构巨大的质量、刚度和阻尼矩阵。首要长处包含节约作业量、进步建模功率、方便地树立更为精密的列车模型。

  大多数商业多体动力学软件如Simpack、Adams等都开发了机车铁路模块,这些软件被广泛运用于车辆工程规划与研讨傍边。商业多体动力学软件的机车铁路模块经过长时刻展开,变得功用强大,运用方便。

  跟着国际高速铁路的展开,国际铁路运转速度经过屡次提速,铁路运送对车辆功用的要求越来越高,列车运转速度越快,列车对轨迹结构振荡发作动态不平顺越灵敏,人们在进行车辆规划与研讨时往往需求考虑轨迹结构振荡对车辆行走功用的影响,原有的机车铁路模块功用已不能满意规划和研讨人员需求,所以机车铁路的柔性轨迹功用就呈现了。这样,人们开端运用商业多体动力学软件进行列车-888真人注册耦合振荡剖析,并取得了成功。

  这其间最闻名的商业多体动力学软件是Simpack。Simpack软件是德国航空航天局(DLR)开发的针对机械、机电体系运动学/动力学仿真剖析的闻名多体动力学剖析软件。它以多体体系核算动力学为根底,包含多个专业模块和专业范畴的虚拟样机开发体系软件。根据相对坐标系递归算法的Simpack首要运用在航空航天范畴,并引发了多体动力学范畴的算法革新,一起DLR初次将多刚体动力学和有限元技能结合起来,创始了多体体系动力学由多刚体向刚柔多体耦合体系的展开。

  SimpackRail模块是DLR与西门子(SIMENS)公司通力合作的产品,最新的市场占有率更是超过了60%的市场份额。运用该模块,研讨人员能够像构筑三维CAD模型那样,快速树立列车的动力学模型,经过多体体系的各种建模元件组成杂乱多体体系,并主动构成动力学方程,然后运用各种内置的高功率求解器,得到列车的动态呼应。一起Rail模块还具有和有限元剖析(FEA)、CAD以及CACE(操控)等软件的接口程序,操作界面友爱,功用强大,且经过很多铁路车辆实验验证具有很高的仿真精度和功率。

  SimpakRail模块除了选用老练的轮轨触摸模型核算轮轨触摸斑上的触摸力以外,还有一个明显的特征是能够将有限元描绘的弹性888真人注册结构引进到模型中,并进行杂乱的车-桥耦合动力剖析,这一特性正是人们进行车桥耦合研讨的根底。

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  国内外研讨现状总述

  (1)国外研讨现状

  2001年,Rawlings.L等运用VAMPIRE对英国城际轨迹的一座系杆桥(BowstringBridge)进行了列车.888真人注册耦合振荡剖析。

  1993年,StefanDietz等介绍了Simpack与有限元软件联合仿真的办法,给出了根据相对描绘和Ritz办法的弹性梁运动方程,并运用有限元软件NASTRAN与Simpack联合仿真,对卡车-两跨接连梁进行了列车-888真人注册耦合振荡剖析。

  2007年,W.Korttim体系总结运用商业多体动力学软件在进行列车-888真人注册耦合振荡剖析方面的优缺点,评论了多体体系运动方程两种方式,包含常微分方程(ODE),微分代数方程(DAE),体系比较了Simpack、ADAMS、VAMPIRE等多体动力学软件求解两种方式列车多体体系运动方程的数值办法,还评论了铁路车辆多体体系的特殊性-遭到轨迹不平顺的随机鼓励,指出这种特殊性给求解算法带来的要求,最终比较了一系列多体动力学软件的功用。

  2008年,P.Shakleton和S.1wnicki列举了DYNARAIL、VAMPIRE、GENSYS等多体动力学软件运用的轮轨触摸理论,比对了这些软件核算相同的单个轮对模型所得触摸斑方位、形状、巨细以及触摸力的差异,比对结果表明,不同多体动力学软件核算所得轮对触摸斑方位根本共同,而触摸斑巨细以及蠕滑率有所必定差异,为研讨这些差异对车体呼应的影响,又运用不同软件核算了相同的车辆模型动力呼应。

  (2)国内研讨现状

  2009年,崔圣爱运用Simpack树立了考虑横向止挡、竖向止挡、油压减振器非线性的精密化车辆模型,核算了该列车模型线性临界速度以及非线性临界速度;比对了弹性轮轨触摸与束缚轮轨触摸对列车-888真人注册耦合振荡的影响;介绍了Simpack求解多体体系微分几许方程的DASSL算法;经过Simpack与ANSYS联合仿真对琼州海峡跨海工程斜拉桥进行了列车-888真人注册耦合振荡剖析。

  2010年,Shengai.Cui等运用Simpack树立了考虑非线性的EMU列车模型,并运用该列车模型以及成都-贵阳客运专线上一座系杆拱桥有限元模型在Simpack中进行了车桥耦合剖析,查验该系杆拱桥横竖向刚度,为该系杆拱桥规划供给参阅。

  2010年,周昱运用Simpack树立了34自由度的线性车辆模型,运用ANSYS树立了不考虑拉索几许非线性的铁路斜拉桥有限元模型;经过ANSYS和Simpack联合仿真对该斜拉桥进行了列车-888真人注册耦合振荡剖析。

  2011年,Deshan.Shah与Shengai.Cui运用Simpack树立了考虑多种非线性要素的ICEEMU列车模型,经过Simpack与有限元软件联合仿真对南广客运专线的郁江斜拉桥进行了列车-888真人注册耦合振荡剖析。

  2014年,邓朋儒经过Simpack和ANSYS联合仿真剖析了郁江钢桁梁斜拉桥在双线对开、不同888真人注册阻尼比等工况下列车-888真人注册耦合振荡,并将剖析所得轮轨力时刻进程施加到有限元模型中,经过ANSYS求解得到888真人注册模型应力时刻进程曲线并经过雨流计数法得到应力幅曲线和频数,然后对拉索车致疲惫损害作出点评。

  2014年,XuehuiHe等运用Simpack树立考虑悬挂体系非线性的列车模型,经过Simpack与有限元软件联合仿真对秦沈客运专线3跨24m简支梁进行了列车-888真人注册耦合振荡剖析。

  从现有研讨可见,商业多体动力学Simpack软件是进行列车-888真人注册耦合剖析的一个功用强大、有经历堆集、有实用价值的核算东西。

  

车桥耦合剖析总述及仿真计划

 

  

 

  图2运用Simpack进行车桥耦合剖析

  内容来历:

  1.朱伟.根据Simpack的钢桁梁斜拉桥车-桥耦合振荡仿真剖析

  2.李文杰.根据Simpack的列车-轨迹-888真人注册耦合振荡剖析

  3.邓朋儒.根据多体动力学的铁路斜拉桥车-桥耦合剖析及疲惫损害点评

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