柔性结构对车辆运动稳定性的影响
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本文以某动车组拖车为分析对象，在有限元软件 ＡＮＳＹＳ 中分别建立轮对、构架及车体的有限元模型。由于有限元中大 量的自由度导致动力学求解时间消耗严重，所以为了在 ＳＩＭ ＰＡＣＫ中实现快速的动力学计算，需要采用 Ｇｕｙｕａｎ缩减方法 降低有限元模型的总体自由度，形成缩减自由度子结构模型， 如图 １所示。
ＴｈｅＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＦｌｅｘｉｂｌｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎＶｅｈｉｃｌｅＤｙｎａｍｉｃＳｔａｂｉｌｉｔｙ
ＺＨＡＮＧＢｏ１，２，ＬＵＯＧｕａｎｇｂｉｎ３，ＪＩＡＮＧＺｈｏｎｇｃｈｅｎ１，２，ＹＥＢｉａｏ１，２
（１．Ｓｔｕｄｙ＆ＴｅｓｔＣｅｎｔｅｒ，ＣＲＲＣＺｈｕｚｈｏｕＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｕｚｈｏｕ４１２００１，Ｃｈｉｎａ； ２．ＴｈｅＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＨｅａｖｙＤｕｔｙＡＣＤｒｉｖｅＥｌｅｃｔｒｉｃＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅＳｙｓｔｅｍｓＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，Ｚｈｕｚｈｏｕ４１２００１，Ｃｈｉｎａ；
引言 稳定的车辆蛇行运 动 是 车 辆 安 全 高 速 运 行 的 关 键，一 旦
出现蛇行失稳，乘坐舒适性和安全性急剧将会恶化，严重时甚 至会发生脱轨的危险。车辆出现蛇行失稳的临界状态对应的 速度称为蛇行失稳临 界 速 度，获 取 准 确 的 临 界 速 度 是 研 究 车 辆稳定性的关键。传统的车辆稳定性分析都是将车辆各部件 考虑为刚性体，将分叉理论引入蛇行运动问题中，提出了许多 定性以及定量的研究 方 法，建 立 了 成 熟 完 善 的 车 辆 稳 定 性 分 析体系 。 ［１－４］
技术与市场 ２０１ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ年 第２６卷 第６期
创新与实践
柔性结构对车辆运动稳定性的影响
张 波１，２，罗光兵３，蒋忠城１，２，叶 彪１，２
（１．中车株洲电力机车有限公司 试验检测工程中心，湖南 株洲 ４１２００１； ２．大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，湖南 株洲 ４１２００１；
３．成都铁路局 成都动车段动车技术中心，四川 成都 ６１００３１）
然而，随着铁道车辆运行速度的不断提高以及轻量化技术 的发展，车辆关键部件的弹性模态日益凸显，各部件本身的局 部弹性变形已经不能忽略，多刚体动力学已经无法准确模拟真 实的车辆动力学特性，研究部件的局部弹性变形与车辆振动的 耦合效应具有重要意义。关于刚柔耦合动力学研究，目前已有
大量研究［４－８］，但这些工作更多侧重于车下设备的弹性减振研 究，关于刚柔耦合对车辆稳定性的影响只是简单提及，对于深 层次的原因并没有深入探讨，本文在此基础上，根据个人的理 解，尝试分析柔性结构影响车辆稳定性的原因，对进一步认识 开展刚柔耦合动力学模型的工程应用具有极为重要的作用和 意义。 柔性体刚柔耦合建模
３．ＥＭＵＳｅｃｔｉｏｎＴｅｃ．Ｃｅｎｔｅｒ，ＣｈｅｎｇｄｕＲａｉｌｗａｙＢｕｒｅａｕ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔ，ｆｒａｍｅａｎｄｃａｒｂｏｄｙｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｏｎｖｅｈｉｃｌｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｓｓｔｕｄｉｅｄｂｙｕｓｉｎｇｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｖｅｈｉｃｌｅｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｗｈｅｅｌｓｅｔ，ｆｒａｍｅ，ｂｏｄｙｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｆｕｌｌｒｉｇｉｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｄｅｌｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅｒｅａｓｏｎｏｆｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｌｌｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｐｅｅｄｃａｎｂｅｓｏｒｔｅｄａｓ：ｆｌｅｘｉｂｌｅｃａｒｂｏｄｙ＜ｆｌｅｘｉｂｌｅｆｒａｍｅ＜ｆｌｅｘｉｂｌｅｗｈｅｅｌｓｅｔ．Ｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄｉｎｆｌｅｘｉｂｌｅｃａｒｂｏｄｙａｎｄ ｆｒａｍｅｍｏｄｅｌｓｍａｉｎｌｙｄｅｒｉｖｅｓｆｒｏｍｔｈｅａｎｔｉ－ｙａｗｄａｍｐｅｒ，ｗｈｉｌｅｔｈｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆｌａｔｅｒａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎａｔ ｔｅｎｕａｔｉｏｎｓｌｏｗｓｄｏｗｎａｎｄｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄｂｅｃｏｍｅｓｓｍａｌｌｅｒｉｎｆｌｅｘｉｂｌｅｗｈｅｅｌｓｅｔｍｏｄｅｌ．Ｗｈｅｎｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｆｌｅｘｉｂｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｒｅ ｃｏ－ｅｘｉｓｔｉｎｇ，ｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄｄｕｅｔｏｔｈｅｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅｄｅｆｆｅｃｔｗｉｌｌｄｅｃｒｅａｓｅｍｏｒｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｕｌｔｉ－ｒｉｇｉｄ－ｂｏｄｙ ｍｅｔｈｏｄｗｉｌｌｏｖｅｒｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｄａｎｇｅｒｏｕｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆｌｅｘｉｂｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄ；ａｎｔｉ－ｙａｗｄａｍｐｅｒ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－８５５４．２０１９．０６．００１
摘 要：采用刚柔耦合动力学仿真方法，分别研究了轮对、构架及车体柔性对车辆稳定性的影响，对比了轮对、构架、车体 柔性与全刚体结构条件下的车辆临界速度差异，并深入探讨了柔性结构引起临界速度变化的原因。结果表明，柔性结构 会降低车辆的临界速度，三种柔性结构导致临界速度的减小量排序为：柔性车体 ＜柔性构架 ＜柔性轮对；车体柔性和构 架柔性降低临界速度的根源在于抗蛇形减振器；柔性轮对带来的附加结构模态导致横向位移幅值增加，振动衰减变慢， 振动周期变小。当多柔性体结构同时耦合存在时，由于叠加效应临界速度将会降低更多，因此传统的多刚体动力学方法 会高估车辆运行稳定性，是偏于危险的。 关键词：刚柔耦合；柔性结构；临界速度；抗蛇形减振器
ＴｈｅＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＦｌｅｘｉｂｌｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎＶｅｈｉｃｌｅＤｙｎａｍｉｃＳｔａｂｉｌｉｔｙ
ＺＨＡＮＧＢｏ１，２，ＬＵＯＧｕａｎｇｂｉｎ３，ＪＩＡＮＧＺｈｏｎｇｃｈｅｎ１，２，ＹＥＢｉａｏ１，２
（１．Ｓｔｕｄｙ＆ＴｅｓｔＣｅｎｔｅｒ，ＣＲＲＣＺｈｕｚｈｏｕＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｕｚｈｏｕ４１２００１，Ｃｈｉｎａ； ２．ＴｈｅＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＨｅａｖｙＤｕｔｙＡＣＤｒｉｖｅＥｌｅｃｔｒｉｃＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅＳｙｓｔｅｍｓＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，Ｚｈｕｚｈｏｕ４１２００１，Ｃｈｉｎａ；
引言 稳定的车辆蛇行运 动 是 车 辆 安 全 高 速 运 行 的 关 键，一 旦
出现蛇行失稳，乘坐舒适性和安全性急剧将会恶化，严重时甚 至会发生脱轨的危险。车辆出现蛇行失稳的临界状态对应的 速度称为蛇行失稳临 界 速 度，获 取 准 确 的 临 界 速 度 是 研 究 车 辆稳定性的关键。传统的车辆稳定性分析都是将车辆各部件 考虑为刚性体，将分叉理论引入蛇行运动问题中，提出了许多 定性以及定量的研究 方 法，建 立 了 成 熟 完 善 的 车 辆 稳 定 性 分 析体系 。 ［１－４］
技术与市场 ２０１ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ年 第２６卷 第６期
创新与实践
柔性结构对车辆运动稳定性的影响
张 波１，２，罗光兵３，蒋忠城１，２，叶 彪１，２
（１．中车株洲电力机车有限公司 试验检测工程中心，湖南 株洲 ４１２００１； ２．大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，湖南 株洲 ４１２００１；
３．成都铁路局 成都动车段动车技术中心，四川 成都 ６１００３１）
然而，随着铁道车辆运行速度的不断提高以及轻量化技术 的发展，车辆关键部件的弹性模态日益凸显，各部件本身的局 部弹性变形已经不能忽略，多刚体动力学已经无法准确模拟真 实的车辆动力学特性，研究部件的局部弹性变形与车辆振动的 耦合效应具有重要意义。关于刚柔耦合动力学研究，目前已有
大量研究［４－８］，但这些工作更多侧重于车下设备的弹性减振研 究，关于刚柔耦合对车辆稳定性的影响只是简单提及，对于深 层次的原因并没有深入探讨，本文在此基础上，根据个人的理 解，尝试分析柔性结构影响车辆稳定性的原因，对进一步认识 开展刚柔耦合动力学模型的工程应用具有极为重要的作用和 意义。 柔性体刚柔耦合建模
３．ＥＭＵＳｅｃｔｉｏｎＴｅｃ．Ｃｅｎｔｅｒ，ＣｈｅｎｇｄｕＲａｉｌｗａｙＢｕｒｅａｕ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔ，ｆｒａｍｅａｎｄｃａｒｂｏｄｙｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｏｎｖｅｈｉｃｌｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｓｓｔｕｄｉｅｄｂｙｕｓｉｎｇｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｖｅｈｉｃｌｅｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｗｈｅｅｌｓｅｔ，ｆｒａｍｅ，ｂｏｄｙｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｆｕｌｌｒｉｇｉｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｄｅｌｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅｒｅａｓｏｎｏｆｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｌｌｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｐｅｅｄｃａｎｂｅｓｏｒｔｅｄａｓ：ｆｌｅｘｉｂｌｅｃａｒｂｏｄｙ＜ｆｌｅｘｉｂｌｅｆｒａｍｅ＜ｆｌｅｘｉｂｌｅｗｈｅｅｌｓｅｔ．Ｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄｉｎｆｌｅｘｉｂｌｅｃａｒｂｏｄｙａｎｄ ｆｒａｍｅｍｏｄｅｌｓｍａｉｎｌｙｄｅｒｉｖｅｓｆｒｏｍｔｈｅａｎｔｉ－ｙａｗｄａｍｐｅｒ，ｗｈｉｌｅｔｈｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆｌａｔｅｒａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎａｔ ｔｅｎｕａｔｉｏｎｓｌｏｗｓｄｏｗｎａｎｄｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄｂｅｃｏｍｅｓｓｍａｌｌｅｒｉｎｆｌｅｘｉｂｌｅｗｈｅｅｌｓｅｔｍｏｄｅｌ．Ｗｈｅｎｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｆｌｅｘｉｂｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｒｅ ｃｏ－ｅｘｉｓｔｉｎｇ，ｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄｄｕｅｔｏｔｈｅｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅｄｅｆｆｅｃｔｗｉｌｌｄｅｃｒｅａｓｅｍｏｒｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｕｌｔｉ－ｒｉｇｉｄ－ｂｏｄｙ ｍｅｔｈｏｄｗｉｌｌｏｖｅｒｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｄａｎｇｅｒｏｕｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆｌｅｘｉｂｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄ；ａｎｔｉ－ｙａｗｄａｍｐｅｒ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－８５５４．２０１９．０６．００１
摘 要：采用刚柔耦合动力学仿真方法，分别研究了轮对、构架及车体柔性对车辆稳定性的影响，对比了轮对、构架、车体 柔性与全刚体结构条件下的车辆临界速度差异，并深入探讨了柔性结构引起临界速度变化的原因。结果表明，柔性结构 会降低车辆的临界速度，三种柔性结构导致临界速度的减小量排序为：柔性车体 ＜柔性构架 ＜柔性轮对；车体柔性和构 架柔性降低临界速度的根源在于抗蛇形减振器；柔性轮对带来的附加结构模态导致横向位移幅值增加，振动衰减变慢， 振动周期变小。当多柔性体结构同时耦合存在时，由于叠加效应临界速度将会降低更多，因此传统的多刚体动力学方法 会高估车辆运行稳定性，是偏于危险的。 关键词：刚柔耦合；柔性结构；临界速度；抗蛇形减振器