服役条件下提速地铁车辆的横向运动稳定性研究EI北大核心CSCD

地铁提速是未来轨道交通发展的必然趋势,服役条件下的车轮磨损会导致车轮半径减小和等效锥度增大,容易造成车辆蛇行失稳。为了保持服役条件下提速地铁车辆的横向运动稳定性,通过调研获取了上海某线路地铁车辆的车轮磨损情况,建立了含抗蛇行减振器的地铁横向动力学模型,研究了车轮磨损对于地铁车辆横向运动稳定性的影响,对比服役条件下有无抗蛇行减振器的车辆临界速度,指明了安装抗蛇行减振器对于服役地铁提速的必要性。结果表明,服役条件下的地铁车辆车轮半径减小以及等效锥度增大会降低车辆的临界速度,增大蛇行运动幅值。通过安装抗蛇行减振器,能有效地解决地铁车辆车轮磨损以及提速带来的横向运动稳定性裕量不足的问题,同时也能避免地铁车辆在异常参数匹配下发生一次蛇行运动。论文工作对探究服役地铁车辆进一步提速以及车轮和钢轨的维护保养具有一定的参考价值。     

基于可变刚度抗蛇行减振器的车辆动力学性能研究

CRH3系列高速动车组在长期服役过程中偶有发生蛇行运动稳定性裕量不足的问题,车辆装配T60型抗蛇行减振器,在车轮磨耗末期易发生构架横向加速度报警问题,装配T70型抗蛇行减振器,则在新轮或车轮磨耗初期易发生“晃车”的问题。针对晃车和报警问题开展可变刚度抗蛇行减振器的仿真与试验研究,以满足车辆在不同轮轨接触状态下车辆的蛇行运动稳定性需求。动力学仿真表明,可变刚度抗蛇行减振器能有效兼顾解决“晃车”和“报警”问题;进一步分析可变刚度抗蛇行减振器与两种高速踏面的适应性,采用S1002CN踏面时车辆临界速度高于350 km/h,而采用LMB10踏面时仅为220 km/h,且S1002CN踏面对应的平稳性和舒适度指标都优于LMB10踏面。最后通过整车滚振台架试验对变刚度抗蛇行减振器性能进行了试验验证,结果表明该减振器可以兼顾轮轨低锥度和高锥度匹配状态,可使车辆均具有良好的动力学性能。     

气动力作用下高速车辆横向稳定性分析

从气动弹性力学角度出发,以17个自由度的高速列车车辆模型为研究对象,基于准定常气动力的假设,建立了气动力作用下的车辆横向运动微分方程。采用特征值分析理论确定了线性系统的临界蛇行速度,分析了气动力对车辆蛇行临界速度及曲线通过性能的影响;采用数值积分方法研究了车辆在气动力和轮缘力联合作用下的极限环响应。结果表明:气动力对高速列车车辆横向稳定性、曲线通过性能及极限环振动有着较为明显的影响。     

车辆系统的多个蛇行运动

采用升速法和降速法对复杂非线性轮轨接触关系下车辆系统的分岔行为进行研究,发现系统存在运动幅值相差不大的两个蛇行运动解并存的现象,这种多个蛇行运动解并存的特性与一般的由单个亚临界Hopf分岔所引起的稳定定常运动与稳定蛇行运动并存的特性有所不同,很容易使车辆在相应速度附近运行时由于扰动的不同而使摆振幅值往复变化,影响车辆的正常安全运行,因此临界速度测定时需要在多种可能的激励条件下多次测试综合分析。     

高速列车半主动悬挂可变刚度和阻尼减振器适应性研究

针对中国高速列车运行速度高、运营里程长、轮轨磨耗加剧,被动悬挂式抗蛇行减振器适应性较差,导致转向架抗蛇行稳定性能不足的情况,开展半主动悬挂抗蛇行减振器研究。首先,基于高速列车悬挂系统非线性和轮轨接触非线性特征,建立了高速列车模型、磁流变阻尼器模型、可变刚度和阻尼抗蛇行减振器模型;然后分析了抗蛇行刚度和阻尼参数对新轮轨和磨耗轮轨的车辆动力学性能的影响,并针对磨耗轮轨接触提出了半主动悬挂控制策略;最后,对比分析了被动悬挂和半主动悬挂车辆运行性能的差异。结果表明:通过采用半主动悬挂调整抗蛇行减振器的刚度和阻尼参数可大幅改善磨耗轮轨接触的车辆运行性能,保证构架不发生蛇行失稳,与采用被动悬挂抗蛇行减振器的车辆相比,车体横向加速度和构架横向加速度分别降低22.4%和16.0%。     

高速列车抗蛇行减振器作用机制与频变刚度应用研究EI北大核心CSCD

为了研究高速列车抗蛇行减振器作用机制进而对最优减振器参数选配提供理论指导,分析了减振器的频变特性和最优能量耗散条件,基于两类典型高速列车横向动力学模型对抗蛇行减振器参数进行多目标优化,及整车线性稳定性和模态能量分析,总结了抗蛇行减振器作用机制。得出结论如下:抗蛇行减振器不仅其阻尼对车辆蛇行能量起耗散作用,其刚度特性对车辆横向稳定性的影响更为显著,减振器刚度需随蛇行频率增加而增大;利用车体与转向架蛇行模态能量占比及其牵连作用说明抗蛇行减振器等效刚度作用机制,并根据最优能量耗散理论实现抗蛇行减振器串联刚度与阻尼的匹配。提出了应用频变刚度抗蛇行减振器的思路和结构方案,针对频变刚度曲线进行优化和车辆横向稳定性分析,结果表明,采用频变刚度抗蛇行减振器可显著改善极端轮轨接触状态下车辆横向稳定性,降低高速列车出现低频晃车和高频抖车现象的风险,对实现不同车轮踏面磨耗阶段车辆自适应稳定性起到积极作用。     

高速动车组抗蛇行减振器参数优化研究

蛇行运动是轨道车辆的固有属性,随着高速铁路的发展,高速动车组稳定性问题越来越突出,抗蛇行减振器对于车辆稳定性具有重要影响,通过优化抗蛇行减振器参数可以有效提升高速动车组运行性能。本文建立高速动车组车辆动力学模型,利用超拉丁采样选取减振器设计参数,并采用 KSM 模型进行动力学响应分析,最后采用 NS?GA?Ⅱ算法对抗蛇行减振器参数进行优化,并对优化前后的动车组动力学性能进行对比。结果表明：优化后参数下,XP55 标准车轮临界速度提高 15.28%,达到 463.8 km/h, XP55 磨耗车轮临界速度提高 13.71%。优化后参数进一步提升了车体的平稳性和舒适度,轮轴横向力减小。同时优化后参数降低了新轮工况和磨耗车轮工况下的车体和转向架横向加速度幅值,抑制了车辆横向振动。分析了减振器参数优化对接触点位置和车轮磨耗指数的影响,优化后参数减小了车轮横向接触点横移,速度为 250 km/h 时,XP55 标准车轮磨耗指数减小 14.65%,XP55 磨耗车轮磨耗指数减小 15.8%。因此,抗蛇行减振器参数优化后可以有效提高车辆稳定性和运行性能。     

风屏障对大跨度桁架桥风致振动及车辆风载荷的综合影响研究

为探究风屏障对大跨度桁架桥风致振动及车辆风载荷的综合影响,以某公铁两用桁架桥为背景,在XNJD-1号风洞中进行了1∶47.48的缩尺比节段模型试验,测试了无风屏障和设置不同风屏障方案时,车桥系统中车辆及桥梁各自的气动力系数、主梁的颤振临界风速以及主梁的涡振响应。结果表明:大跨度桥梁风屏障增加了车桥系统中主梁的阻力系数,降低了主梁的升力系数、车辆的阻力系数及升力系数。设置风屏障使主梁的颤振临界风速降低明显。风屏障在一定程度上可用作抑制主梁涡振的气动措施。     

机车车轮超非线性临界速度跳轨机理分析

基于高速车辆在直线轨道上蛇行运动的稳定性曲线，考虑到轨道方向不平顺、非线性轮轨接触单元的影响，运用多刚体动力学软件求得了车辆系统的非线性临界速度，并获取了单轮对跳轨时的横向速度。借助非线性有限元软件LS-DYNA研究了整个碰撞跳轨过程，讨论了参数变化对跳轨产生的影响。轮轨碰撞跳轨的模拟分析有助于进一步探求高速动态脱轨机理。     

考虑尾流效应的新月形覆冰四分裂输电线舞动稳定性

针对新月形覆冰四分裂输电线各子导线气动参数不同的问题提出一种考虑尾流影响的临界风速计算方法。基于拟静态理论得到覆冰四分裂输电线的气动载荷,建立等效的3自由度覆冰四分裂输电线力学舞动模型。在初始风攻角处将气动系数泰勒展开。新月型覆冰四分裂导线的空气动力系数由风洞模拟试验测得。根据理论公式,使用MATLAB进行编程计算临界风速,将由理论确定的临界风速与根据Den Hartog和Nigol理论确定的临界风速进行对比分析。分析垂直、水平以及扭转振动频率和覆冰厚度对临界风速的影响。研究成果对于覆冰四分裂输电线路稳定性判断具有重要的理论指导意义。     

六线双层铁路钢桁桥车桥系统气动特性风洞试验研究

为研究多线双层铁路桥梁车辆与桥梁的气动特性,利用三分力分离装置-交叉滑槽系统,对某六线双层大跨铁路斜拉桥进行节段模型风洞试验。测试了不同车桥组合下车辆与桥梁各自的气动力,研究了单列车的位置、双车同层交会、双车上下层共存时车辆和桥梁气动特性的相互影响,并讨论了风攻角对上层车辆气动力的影响。试验结果表明,当车辆位于桥梁断面不同位置时,车辆气动力差异较大;由于上层桥面宽度较大,气流经过桥梁断面前缘分离后,再附着于较靠后的背风侧车辆,导致背风侧车辆的阻力系数更大;双层车辆共存时,当两者同处于迎风侧,气动力有明显的相互影响;风攻角对背风侧车辆的气动力影响显著。     

超高层建筑横风向气动刚度研究

为了研究超高层建筑横风向气动刚度,进行了多自由度气弹模型试验,以直接测量模型在不同风速下的振动频率,用该频率相对于自振频率的改变量作为气动刚度的评估指标。分析了结构阻尼比、风场粗糙度、模型密度、折算风速、高宽比、涡振位移等因素对气动刚度的影响。结果表明:在共振临界风速附近,气动刚度造成风振频率改变量可达自振频率的10%;频率改变量随折算风速呈“V”字形变化,在折算风速小于8时,频率改变量通常为正,在共振临界风速附近频率改变量最大,折算风速大于12时,频率改变量保持稳定且略小于结构自振频率。由于涡振位移和气动刚度的相互作用,结构阻尼比越小、风场紊流度越小、模型高宽比越大、密度越小则频率改变量随风速变化的“V”字形越尖锐。最后提出了名义折算风速和实际折算风速的概念,并建立了气动刚度的简化估算模型。     

考虑摆动效应的覆冰导线两自由度驰振稳定性分析

该文推导了考虑覆冰导线摆动的水平竖向耦合两自由度驰振模型,结合覆冰导线模型高频天平测力试验结果,采用劳斯判据分析了基于导线自振特性的广义两自由度准椭圆形覆冰导线的驰振稳定性。分析结果表明:在进行准椭圆形覆冰导线两自由度驰振稳定性分析时,气动力系数需采用七阶以上多项式描述;导线摆动对稳定性分析影响较大,不考虑导线摆动影响分析得到的不稳定风向角范围偏小,临界风速偏大;提高结构阻尼可以有效的提高驰振临界风速。最后得到了准椭圆形覆冰导线两自由度驰振稳定性分析的一般结论。     

高速铁路路堤-路堑过渡段复杂风场和列车气动效应风洞试验研究

中国地形地貌复杂多变,线路交替必不可少,为了探究高速铁路路堤-路堑过渡区域的列车气动效应和复杂风场,该文建立了大比例试验模型,采用风洞试验的方法对线路上方不同位置处的风速剖面和线路不同位置处的车辆气动力进行了测试。试验结果表明:路堤-路堑过渡段对气流的影响范围在轨道上方250 mm以内;线路交界处上方较低区域的风剖面由路堑主导,较高区域受路堤主导;风速变化对列车沿线移动的气动力变化趋势影响不大;在过渡区域,线路交界处附近对行车安全最不利,且路堤侧更为不利;受雷诺数效应的影响,气动力系数整体上随风速的增大而减小。     

考虑桥面风场等效气动效应的行车安全性分析

侧风作用下桥上通行车辆容易遭受行车安全问题。通过节段模型风洞试验,测试了主梁行车道位置上方一定高度范围内风场分布特性。基于车辆气动力和力矩等效的方法,采用等效风速和比例系数来考虑桥面气动绕流对车辆气动力特性的影响。在风-汽车-桥耦合振动研究的基础上,采用无量纲的侧倾和侧滑安全因子评价车辆的行车安全性,分析了风速和车速对不同类型车辆行车安全性的影响。结果表明:车辆的行车安全性随着风速和车速的增大而逐渐降低;桥面风场等效气动效应会降低集装箱车和旅行巴士的行车安全性,集装箱车RSF和SSF最大相对误差分别高达28.0%和184.3%。     

风力机叶片的非定常气动特性计算方法的改进

该文从日常的风力机气动设计和研究出发,在考虑非定常条件下翼型绕流物理特性的基础上改进动态失速的半经验模型,先得到二维时的计算结果(即不考虑旋转影响的计算结果),再在考虑紊流的情况下分析离心力和哥氏力对附面层分离的影响来计算风力机叶片的非定常气动特性,得到三维时的计算结果(即考虑旋转影响的计算结果)。分析比较二维和三维时的计算结果,可知采用考虑旋转影响的计算方法改善了原来二维时的计算方法,所得结果与实验值吻合得较好。     

箱梁表面的压力分布对颤振稳定性的影响EI北大核心CSCD

该文建立了箱梁表面压力与颤振导数之间的数学关系,探讨了表面压力的分布特性对箱梁颤振导数和颤振临界风速的影响。结合流固松耦合的计算方法,利用动网格技术模拟了箱梁的风致振动。采用分块分析方法研究了箱梁表面压力的局部特性对颤振导数以及系统振动能量的影响。研究结果表明:箱梁迎风侧风嘴附近的分布压力对模型振动的稳定性产生了不利的影响,而模型尾部的压力则有助于提高系统的颤振临界风速。当迎风侧的分布压力向模型尾部移动时,对箱梁颤振稳定性影响较大的颤振导数则会发生较显著的变化,箱梁的颤振临界风速也随之增加,因此断面迎风侧风嘴附近区域的分布压力对颤振导数和系统振动的稳定性影响最大。另外,迎风侧风嘴附近的区域也是振动系统吸收气动能量的主要部位,而箱梁尾部风嘴附近的区域则消耗系统的振动能量。箱梁表面压力与模型振动最大位移之间的相位差对颤振导数有较大影响,当相位差沿断面呈反对称分布,并使气动阻尼始终为负时,则有利于箱梁颤振的稳定性。     

风障对桥塔附近桥面汽车气动力特性的影响

强横风下大跨缆索承重桥梁的桥塔附近桥面风环境交替变化显著,极易导致汽车侧向失稳事故,针对途经桥塔附近桥面汽车气动力特性的研究对评价汽车侧向操纵稳定性尤为重要。该文进行了某分离钢箱梁斜拉桥独柱式桥塔附近桥面汽车模型测力风洞试验,获得了横风下汽车途经桥面不同位置时气动力特性的一般规律。设置风障前后桥塔附近桥面汽车气动力系数对比分析表明:风障可显著减小该类桥型塔区桥面汽车的侧力系数和横摆力矩系数,可减小大体量汽车的侧倾力矩系数和中、小体量汽车横摆力矩系数的变化幅值,风障对提高大风天途经桥塔附近桥面汽车的侧向稳定性作用明显。     

薄膜结构气弹动力稳定性研究

将扁壳的无矩理论和流体的理想势流理论结合起来对薄膜结构的气弹动力稳定性进行了研究,提出了结构失稳的判别准则,确定了结构失稳临界风速。首先应用扁壳的无矩理论建立了薄膜结构的动力平衡方程。然后假设来流为均匀的理想势流,考虑流固耦合作用,对风向沿结构拱向和垂向时分别采用不同的气弹模型确定了作用于薄膜表面的气动力,得到了两种情况下薄膜结构的气弹动力耦合作用方程。利用Bubnov-Galerkin方法将此耦合作用方程转化为一常系数二阶微分方程,并根据Routh-Hurwitz稳定性准则确定了薄膜的失稳临界风速。最后通过对临界风速的影响因素进行分析,得到了一些重要结论,并提出了防止薄膜结构气弹失稳的一些基本措施。     

桥梁风屏障的气动效应及其对高速列车运行安全的影响分析

基于风-车-桥系统动力分析模型,分析了风屏障对车桥系统气动效应及桥上高速行驶车辆运行安全性的影响。以新建兰新铁路百里风区跨度16 m简支槽形梁为工程背景,通过风洞试验测试了有、无风屏障时车辆、桥梁的三分力系数,然后对强侧风作用下车辆通过桥梁时的动力响应进行了数值模拟,综合分析得到了保证列车在桥上运行安全的风速-车速阈值曲线。结果表明,对未设置风屏障的桥梁,当风速超过15 m/s即应限速行驶;而设置风屏障后,桥上车辆的运行安全性指标得到了极大地改善,即使风速达到40 m/s,列车仍可以260 km/h的速度安全运行。