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车辆-轨道系统刚柔耦合动力学软件开发及动态响应特性研究

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  • 【题名】:车辆-轨道系统刚柔耦合动力学软件开发及动态响应特性研究
  • 【年度】:2019
  • 【作者】:崔潇
  • 【关键词】:车辆-轨道系统动力学  刚柔耦合  柔性旋转轮对  软件开发  轮轨伤损  高速铁路
  • 【摘要】:随着我国高速铁路运营速度的提高以及运营里程的逐年增加,轮轨短波伤损问题逐渐突显,例如车轮多边形磨耗、钢轨波磨、焊缝处轨面不平顺等,其引起的中高频振动不仅增加了铁路养护维修成本,对行车安全也是潜在的危害。根除或减缓这类伤损往往需要辅助更符合实际情况的建模方法和更有效的仿真软件。然而,目前车辆-轨道系统动力学软件在软件的开放性、可复用性、可扩展性和可维护性上仍有待提高,车辆-轨道系统动力学模型对柔性轮对高速转动特性的处理也有待完善。因此,需要开展考虑柔性轮对高速旋转特性的车辆-轨道耦合系统动力学研究,并开发具有良好软件架构设计,以及开放性、可扩展性和可维护性的车辆-轨道系统刚柔耦合动力学软件。用于探索高速铁路车辆-轨道系统的轮轨间高频相互作用规律及轮轨伤损情况下的车辆-轨道耦合系统动力学响应特征,为高速铁路的养护维修提供理论支撑。本文基于有限元和多体动力学理论,结合轮轨三维几何关系计算方法和轮轨接触力计算方法,建立了车辆-轨道刚柔耦合多体动力学模型。结合柔性旋转轮对模型,实现了欧拉坐标系下的柔性旋转轮对与车辆-轨道刚柔耦合多体动力学方程的耦合。设计并开发了车辆-轨道系统刚柔耦合动力学软件,利用该软件计算了柔性轮对旋转效应对车辆-轨道系统轮轨间相互作用力的影响,并进行了深入分析。开展的研究工作以及取得的创新性成果如下:(1)考虑到采用拉格朗日坐标系描述轮对柔性的局限性,本文采用了基于欧拉坐标的柔性旋转轮对模型,推导了欧拉坐标下相关计算量的有限元离散形式公式。基于OpenSees开源有限元软件,开发了欧拉坐标下单元级计算功能。计算了旋转轮对的模态和频率响应函数,对比分析了刚性轮对、忽略旋转效应柔性轮对、考虑旋转效应柔性轮对在车辆-轨道系统动力学响应方面的区别,提出了考虑柔性轮对旋转效应的必要性。(2)基于有限元和多体动力学理论,结合轮轨三维几何关系计算方法和轮轨接触力计算方法,将轨道系统中钢轨设为连续弹性梁,建立了车辆-轨道系统刚柔耦合动力学模型。实现了欧拉坐标系下的旋转柔性轮对计算与拉格朗日坐标系下的车辆-轨道多体动力学整体模型计算之间的耦合,完成迭代计算。从而建立了更适用于高速列车轮轨系统高频响应分析的车辆-轨道系统刚柔耦合动力学模型。(3)开发了车辆-轨道系统刚柔耦合动力学软件,采用了插件架构和工厂方法等设计模式,保证了软件的开放性、可扩展性与可维护性。根据软件工程理论,结合软件实际需求,选取跨平台的软件开发工具链。实现了车辆-轨道系统模型参数导入、车辆多体动力学计算、轨道及轮轨接触计算、数据收集等组件。设计并编写了扩展系统和工厂系统组件,从而提高代码复用能力和功能调用便捷性。(4)针对高速铁路焊缝处轨面不平顺引起的车辆-轨道系统高频振动问题,利用车辆-轨道刚柔耦合系统动力学模型,研究了柔性轮对旋转效应对钢轨单点短波伤损区段车辆-轨道系统动态响应的影响。从时域和频域角度开展了列车运行速度、焊缝处轨道几何、车辆-轨道系统刚度和阻尼与车辆-轨道系统高频振动响应之间关系的研究。提出了焊缝区段车辆-轨道系统的频率响应规律及主频范围,并对主要影响因素进行了探讨。(5)针对高速铁路钢轨波磨引起的车辆-轨道系统高频振动问题,建立了带有钢轨波磨区段的车辆-轨道刚柔耦合系统动力学模型,研究了柔性轮对旋转效应对钢轨周期性短波伤损区段车辆-轨道系统动态响应的影响。从时域和频域角度开展了钢轨波磨区段波磨几何参数、扣件系统阻尼以及轨枕间距与车辆-轨道系统周期性高频振动响应之间关系的研究。探究了避免钢轨波磨区段轮轨系统共振以及减缓轮轨间相互作用的方法,可为工务养护维修工作提供理论支撑。(6)针对高速铁路车轮多边形引起的车辆-轨道系统高频振动问题,建立了考虑车轮多边形的车辆-轨道系统刚柔耦合动力学模型,研究了旋转效应对柔性车轮多边形响应的影响,以及多边形阶数、磨耗程度和列车运行速度与车辆-轨道系统动态响应的关联关系。探究了高速铁路常出现某一车轮多边形阶数范围的原因,以及车轮多边形磨耗的发展趋势。综合车轮多边形阶数和列车运行速度,提出了车轮多边形的磨耗限值的建议。
  • 【分类号】:U270.1;U213.21
  • 【学位名称】:博士
  • 【导师名称】:姚建伟
  • 【学位授予单位】:中国铁道科学研究院
  • 【学位年度】:2019
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