基于刚柔耦合模型对动力学的分析

基于刚柔耦合模型对动力学的分析

【摘要】本文基于国内某高速列车，分别建立其多刚体和刚柔耦合动力学模型，通过计算两种模型的动力学指标，分析车体弹性振动对车辆系统动力学的影响。

【关键词】高速列车；刚柔耦合模型；车辆系统动力学

1 前言

当今高速列车发展主要围绕高速化和轻量化这两大主题展开。由此引发的问题也伴随而来：一方面，当列车行驶速度升高时，轨道的激扰频率会随之升高，而另一方面车体逐步轻量化也导致车辆结构本身刚度的下降，因此减低了车辆结构本身的自振频率，更容易在高频激扰下发生共振，从而恶化高速列车的动力学性能。但传统的车辆动力学分析中，将车辆系统考虑成多刚体，无法考察高速列车部件结构振动对动力学性能的影响。本文基于国内某高速列车分别建立多刚体和刚柔耦合动力学模型，计算分析车体弹性振动对车辆系统动力学的影响。

2 模型建立

轨道车辆实际是一个复杂的弹性多自由度振动系统，通过仿真的方法完整描述出动力学特性是不可能的，因此在对其进行动力学分析时，需要建立一个相对简化的多体动力学模型。本文以某高速列车为研究对象，分别建立其多刚体和车体为弹性体的刚柔耦合系统模型。

3 动力学指标对比分析

本文中利用国家针对车辆系统动力学性能评定的相关标准及规定，在SIMPACK中对所建的两种车辆系统模型的各项动力学性能指标进行计算分析，总结两者之间的差异。

3.1 运行稳定性指标对比分析

图1 580km/h、581km/h时多刚体模型各轮对横向位移

通过图1可以发现，多刚体模型中当车辆运行速度为580km/h时，当车辆系统通过一段有激扰的轨道谱后，各轮对的横向位移量很快衰减，而当车辆以581km/h的速度运行时，通过有激扰路段后，各位轮对的横向位移量出现等幅振荡现象，则多刚体车辆系统模型在580km/h达到临界速度。

图2 534km/h、535km/h时刚柔耦合各轮对横向位移

通过图2发现刚柔耦合车辆系统模型在534km/h时达到临界速度。通过以上

计算得到，刚柔耦合模型的稳定临界速度为534km/h低于多刚体模型的580km/h，与实际稳定临界速度更为接近。

3.2 运行平稳性指标对比分析

本文利用京津轨道谱为激励计算不同速度等级下多刚体模型和刚柔耦合模型的车体前端的平稳性指标，并对其计算结果进行对比分析。

图3 京津轨道谱运行条件下平稳性指标对比

图3为京津谱激励条件下车辆运行平稳性指标。通过对比发现，横向平稳性：刚柔耦合模型的横向平稳性指标比多刚体模型略大，由于车辆系统本身横向刚度就大，两者之间相差很小；垂向平稳性：可以看出由于车体本身垂向刚度就小，因此车体为弹性体的刚柔耦合模型的平稳性指标比多刚体车辆系统模型大许多，并且随着运行速度的升高这种效果越来越明显，因此在对车辆运行平稳性进行计算分析时，尤其是在分析车辆系统垂向平稳性时把车体考虑为弹性体是有十分有必要的。

3.3 运行安全性指标对比分析

本文计算了车辆模型在京津轨道谱激扰条件下以不同时速通过同一曲线线路时，车辆的一位导向轮对的脱轨系数和轮轨减载率等安全性指标，得到两种模型的对比结果如图4。

图4 运行安全性指标对比

通过图4发现各项运行安全性指标与速度的变化成正比，且当车辆以小于150km/h的速度运行时，多刚体模型和刚柔耦合模型一位导向轮对的各项安全性指标值相近，但当速度高于150km/h时刚柔耦合车辆模型各项安全性指标明显增大，并且两者之间的区别与速度成正比，因此对高速车辆系统运行安全性指标进行计算时同样有考虑结构的弹性振动的必要。

4 结论

运行稳定性：刚柔耦合模型的稳定临界速度为534km/h低于多刚体模型的580km/h；运行平稳性：车体考虑成弹性体的刚柔耦合模型的平稳性指标和输出加速度值都比多刚体模型高，且两者之间的垂向的平稳性指标和垂向输出加速度的区别大小与速度成正比；运行安全性：低于150km/h时两种模型的各项安全性指标差别不是很大，但当速度高于150km/h时刚柔耦合模型各项用于安全性评价的指标值明显大于多刚体车辆系统模型，并且随着速度的提高差距不断增大。因此，在对车辆进行动力学分析时，有必要考虑车体的弹性振动。

参考文献：

[1]张祥韦.基于SPAMP方法的高速列车运行平稳性研究[D].同济大学：硕士论文，2009.

[2]刘宏友，曾京.列车系统蛇行运动稳定性研究[J].铁道学报.2004（5）.

[3]周劲松，任利惠，沈钢.高速列车运行平稳性研究[J].机械科学与技术.2003（6）.