高速列车动力学系统综述素材

列车运行速度的提高,动力作用的加剧,不仅对动车组和线桥隧的设计、制造、建设和运行管理提出了更高要求,而且需要开展与高速列车运行相适应的车辆系统、轮轨关系、弓网关系和流固耦合关系的研究. 因此,传统的车辆系统动力学应该拓展到与列车运行相关的因素和领域,全面开展以高速列车为对象,考虑线路、接触网和气流耦合作用的高速列车耦合大系统动力学的研究.

系统的基本组成：

高速列车耦合大系统动力学的概念,研究的主体从车辆系统拓展到列车(高速动车组),同时考虑高速列车与线路、接触网和气流的相互作用.高速列车耦合大系统动力学以轮轨相互作用模型为基础,以传统的车辆系统动力学为核心.向上,通过弓网关系,研究接触网系统的振动问题和接触网与受电弓的匹配关系;向下,通过轮轨关系,研究车-线耦合振动问题;周向,通过流固耦合关系,研究气流和列车的相互作用.高速列车耦合大系统的基本组成除了包括线路、列车和接触网外[1],还应考虑空气作用,通过轮轨关系、弓网关系和流固关系实现各子系统之间的耦合.高速列车耦合大系统框架如图1所示.

图1 高速列车耦合大系统框架

系统特殊性:

研究铁路系统需要解决如下3个基本问题:

(1)尺度效应.对于列车,长度少则几百米,多则几千米,支撑列车并传递牵引或制动力的轮轨接触斑,仅几毫米到十几毫米,尺度的比例达到百万倍.这样的尺度差别不仅给精确建模和计算带来难度,而且也给试验研究带来困难.

(2)时间效应.机车车辆的服役周期一般为25~30 a,其性能随运用时间的增加而改变.引起性能蜕化的因素除结构失效外,更多的是参数的时变特性.时变还给系统建模、表征和实验研究带来困难.

(3)空间效应.我国幅员广阔,列车东西南北穿行,长途跋涉.这种空间上的跨度,造成线路结构(线桥隧)千变万化,温度、湿度、气压、风沙、冰雪和紫外线等都会一日三变,需在系统表征和研究中考虑.铁路系统存在轮轨关系非线性,线路结构和环境还存在随机因素和随机干扰.由于研究中存在客观障碍,以至于至今无法对铁路系统进行精确建模.复杂混合系统的精确建模、高维非线性系统的运行稳定性和随机振动研究,是对传统的高速列车系统动力学的挑战,也是未来发展的方向.

系统模型：

高速铁路系统是由弹柔性体(接触网)、多刚体(主要指机车车辆结构)、连续弹性体(钢轨)、离散体(枕木)、板壳(板式轨道)、非规则碎散堆积体(石碴道床)和土结构(路基)组成的混合系统,列车又与流体(空气介质)相互作用.高速列车耦合大系统动力学研究,突破传统的建模方式,实现复杂混合系统的一体化建模.一方面,要考虑系统的耦合作用,建立考虑线路、列车、接触网和气流子系统在内的大系统模型;另一方面,应考虑由多体和多态组成的混合耦合系统的系统建模.

列车是通过轮轨接触点和弓网接触点与线路和接触网实现耦合的,因此在建立高速列车耦合大系统模型时,可采用子结构方法,分别列出接触网、受电弓、动车组、钢轨、线路和气流的运动微分方程,考虑各子系统之间的运动和力的耦合作用.按上述思路建立的模型框架如图2所示.列车系统的动力学模型由车辆模型组成.车辆模型一般采用多刚体模型.实际上,轮对、构架和车体的弹性作用均会影响车辆的振动响应.为了建立车辆的精确模型,将车辆的主要结构件建成弹性体模型,考虑结构的弹性作用,建模和仿真方法可采用有限元直接积分方法,也可将弹性体描述成模态缩减模型,以减少弹性体的计算自由度.由于高速列车车与车之间存在耦合减振系统,所以,在建立车辆模型的基础上,通过车端力的耦合作用,形成列车系统的运动方程.

接触网可用弹柔性体结构模型.虽然受电弓本身是结构体,但一般可简化为等效的多刚体模型.弓网之间通过接弓网接触压力实现耦合作用.由于受电弓的质量较小,在车辆振动计算中可忽略受电弓的作用[9].受电弓基座固结在车体上,车体的振动状态影响到受电弓的行为,需通过协调受电弓基座的位移和车体的位移实现相互耦合作用.

车辆与钢轨间通过轮轨相互作用力实现耦合.蠕滑力一般采用具有非线性特征和考虑自旋影响的沈氏模型[10].钢轨一般采用弹性梁模型,常用欧拉梁模型[11].但随着列车速度提高,高频振动增强,应该采用更加合理的铁木辛柯梁模型.

现有的线路结构动力学模型,一般将线路简化成多体系统[11].高速铁路通常采用高架方式,线路是桥梁结构.此时线路模型应为考虑桥梁弹性的计算模型.由于高速铁路的接触网架设在桥上,在接触网模型中还应考虑与桥振动的耦合作用.

空气模型可采用三维Navier-Stokes方程描述.空气与受电弓及列车的耦合作用采用流体边界层和列车表面的运动速度相互作用关系实现.

图2高速列车耦合大系统动力学模型框图

高速列车耦合大系统的运动微分方程为：

边界模型：

高速列车耦合大系统动态行为与列车运行条件相关,因此,还要考虑与运行品质和安全性相关的外部边界条件.边界模型如下.

(1)轨道不平顺.在车辆系统动力学仿真计算中,一般把轨道不平顺视为边界条件,作用在轮轨关系之间.轨道不平顺是引起车辆振动的主要因素.轨道不平顺有不同的波形和波长,习惯上

用谱的形式来表征,即轨道谱.

(2)风载荷.在高速列车耦合大系统模型中建立流固耦合关系,风载荷可视为外部输入,直接作用在列车表面上[14].对于`高速运行的列车,风载荷的表征包括风向、风力和风的动态过程(风载荷谱).风对列车运行的影响可导致轮重减载使列车脱轨和倾覆.

(3)地震波.地震波通过基础作用于线路.对于高速列车耦合大系统,地震波完全是外部输入.地震波的表征包括震向、烈度和波的动态过程(地震谱).

(4)环境.高速列车穿行千里,环境变化大.由于环境影响零部件的服役,特别是橡胶和塑料等高分子材料零部件的力学性能,所以应该考虑环境的影响.在服役模拟时,环境作为零部件服役的边界条件.

第二部分：高速列车耦合大系统服役模拟

在传统的车辆系统动力学研究中,需给出系统的物理模型和数学模型.车辆系统动力学仿真作为计算机辅助设计的工具,指导结构设计,确定参数设计的理论值。由于高速铁路的时间效应,在服役过程中,高速列车及其与之耦合的线路和弓网系统的结构参数发生变化,会引起系统性能的变化,诱发安全事故. 因此,对高速列车耦合大系统动力学研究,不仅需要对动力学性能模拟,更重要的是从服役过程表征的角度开展服役模拟,从材料和结构的服役角度研究参数时变和结构失效对高速列车运行响应的影响.

计算框图：

高速列车耦合大系统服役模拟的计算框图如图3所示.系统模型中描述了高速列车耦合大系统模型,包括时变参数模型。把高速列车运行的边界条件作为系统输入,对系统模型进行仿真计算,可得到服役过程的系统响应, 系统响应反过来又影响材料和结构的服役性能,引发材料和结构的失效和破坏，影响计算模型和参数的变化,导致高速列车耦合大系统性能变化,出现诸如噪音、振动、疲劳等有害响应,甚至发生列车脱轨事故.

图3高速列车耦合大系统服役模拟计算框图

服役模拟和传统动力学仿真不同.后者在得到响应结果后,仿真过程结束;前者在系统模型中加入了时变的计算参数模型,模型的参数由材料和结构的状态决定。在计算时,利用服役模型和仿真计算,在系统响应和时变参数模型之间反复迭代,实现高速列车的服役过程模拟,得到系统响应和失效间的关系,揭示高速列车动态行为和性能的演变规律。

失效模型：

开展服役模拟,首先建立材料失效、结构损伤和参数变化(统称为广义失效)的失效模型，纳入高速列车耦合大系统动力学数学模型中,形成高速列车耦合大系统的服役模型.高速列车的服役模拟在理论上是可行的. 由于精确、全面的建立主要环节的各种失效模型十分困难,