强风作用下列车脱轨分析

论文摘要

强风中列车脱轨时有发生,轻则造成铁路运输中断,重则列车倾覆,造成车毁人亡的后果,社会影响极大。脱轨研究从来都是各国轨道交通领域的重大课题。国外对强风中列车的脱轨研究始于1879年12月28日的Tay铁路桥倒塌灾难,造成75人死亡,很多专家确信是当时正在桥上运行的列车脱轨后造成的桥毁人亡。2007年2月28日新疆列车在遭遇13级大风后发生脱轨、倾覆,造成了很大的社会影响。脱轨在我国铁路行车重大、大事故中的比例高达七成左右;随着我国高速客运专线建设的广泛展开,风对列车行车安全的影响越来越大,有时甚至处于支配性地位。保证列车安全运行更为重要。国内外学者对脱轨问题研究了一百多年,取得了很多很好的成果,然而尚有很多问题悬而未决。随着曾庆元院士列车脱轨能量随机分析理论的问世,很多问题迎刃而解。本文正是在列车脱轨能量随机分析理论的基础上考虑列车在风载荷作用下的脱轨分析,以期拓展该理论的应用范围,使其成为趋近于全天候的列车脱轨能量随机分析理论。此外,考虑到强风作用下列车脱轨往往伴随列车的倾覆,本文在对列车空气动力学进行详细分析计算的基础上,提出了一整套列车倾覆分析理论。本论文的主要研究如下:1.列车空气动力学方面要进行强风作用下列车脱轨分析,需要对列车空气动力学性能有全面的了解。因此本文对列车在横风作用下的绕流结构,受力特点,列车的风致振动进行了详细的理论分析、计算,并与试验结果进行了对比,证明了本文分析计算的正确性,其主要内容为:（1）通过对颤振进行详细的理论分析和计算,提出了由于列车断面较为钝化,其气动藕合作用应较弱,一般不会发生剧烈的经典颤振。又由于列车的颤振临界风速很高,故一般不用考虑颤振;（2）提出了作用在列车上的空气力,从数学上看,可看成是均值和脉动值之和;从空气动力学机理上来看是非常复杂的。对列车来说,主要包括:静风力,伴随卡门涡的释放而作用的脉动气动力和抖振部分;（3）将三维雷诺平均N-S方程（RANS）结合k-ε湍流模型,用有限体积法将控制方程离散求解。用SIMPLE法耦合压力-速度场。针对列车在不同风速下的气动力进行计算。模拟计算结果显示增大列车运行速度和横风速度,都会增大列车气动升力、气动阻力,并用呈加剧的趋势,均呈现出非线性现象。列车在高速、大横风情况下运行,以上两种非线性风险的影响将使得行车的安全性将受到极其严峻的挑战。（4）基于前沿追踪算法生成列车横断面绕流场的非结构动态网格划分,网格移动过程中,将网格看成实际结构,引入基于边的直系弹簧和基于顶点的扭转弹簧,从而对网格品质进行控制,防止崎变。采用非结构动态网格对计算流体域进行划分和移动,对流体控制方程做FVM构造,计算了列车横断面绕流。得出一些结论:列车横断面背风侧上下有很明显的脱离涡;列车迎风面是正压区,上、下表面和背风面均处于负压区中。当列车在倾覆过程中时,列车下表面处于正压区。（5）首次将抖振反应谱理论应用于列车的抖振分析中,计算出了车体和转向架的一阶升沉、横移和侧滚的抖振反应谱。2.强风作用下列车脱轨分析理论方面以列车脱轨能量随机分析理论为基础,通过对列车空气动力学性能的理论分析,计算,包括列车抖振反应谱的计算后,提出了一套风载荷下列车脱轨能量随机分析理论,从而使列车脱轨能量随机分析理论成为能判断无论有没有风都能适用的理论,第一次使列车脱轨能量随机分析理论能够适应列车脱轨计算的全天候应用,使列车脱轨能量随机分析理论趋于完善。同时创建了一整套列车倾覆分析理论。其主要内容包括:（1）对考虑风载荷的列车脱轨力学机理进行研究,提出了考虑风载荷的列车脱轨机理是列车-轨道（桥梁）时变系统（以下简称此系统）横向振动丧失稳定。（2）两种方法的提出,即提出了考虑风载荷的列车脱轨能量随机分析理论的时域法和频域法;（3）计算得到了各风速下的σp-v曲线,对原σp-v曲线进行了有益的扩充,使得列车脱轨能量随机分析理论成为趋近于全天候的理论;（4）建立了考虑风载荷的列车是否脱轨条件;（5）提出了考虑风载荷下列车是否脱轨第一、第二判别准则;（6）首次提出了列车倾覆条件和判据;（7）详细分析了列车倾覆过程绕流特性;（8）提出了加速倾覆的概念;（9）首次对遭遇13级大风的新疆列车脱轨与倾覆过程进行了分析,合理地解释了其脱轨的必然性和揭示了瞬间倾覆的原因;（10）对国内外多起强风中列车脱轨与倾覆进行了分析。计算结果均与实际情况一致,验证了本文提出的风载荷下列车脱轨能量随机分析理论与列车倾覆分析理论的正确性。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 列车脱轨研究回顾

1.1.1 脱轨原因研究

1.1.2 脱轨评判标准

1.1.3 脱轨试验

1.1.4 脱轨分析

1.1.5 脱轨分析研究中的本质难题与全新理论的提出

1.2.强风作用下列车脱轨研究

1.2.1 列车空气动力学研究方法

1.2.2 列车空气动力学性能影响因素

1.2.3 列车空气动力学的研究回顾

1.2.3.1 气动阻力

1.2.3.2 横风效应

1.3 目前存在的问题

1.4 本课题研究的目的和意义

1.5 本课题研究的主要内容

第二章作用在列车上的气动力

2.1 列车绕流

2.2 作用在静止列车上的气动力

2.3 作用在振动物体上的气动力

2.4 紊流的影响

2.5 紊流产生的不规则脉动气动力

2.6 列车的风致振动分析

2.6.1 风致振动的类型

2.6.2 颤振的发生

2.6.3 耦合颤振

2.7 控制方程

2.7.1 流体控制方程

2.7.2 湍流模型

2.7.3 计算实例

2.7.3.1 计算域与边界条件

2.7.3.2 计算网格

2.7.3.3 计算结果与分析

2.8 列车横断面空气动力学计算

2.8.1 非结构网格的生成和构造

2.8.1.1 Delaunay三角形和Delaunay三角剖分

2.8.1.2 Rebay的非结构网格生成算法

2.8.1.3 一个简单的任意二维区域三角形剖分的方法

2.8.1.4 非结构网格生成的前沿追踪算法

2.8.2 动态非结构流体网格

2.8.2.1 伪-结构系统

2.8.2.2 扭转和直系弹箕网络

2.8.3 有限体积法

2.8.4 计算实例

2.9 本章小结

第三章列车抖振反应谱理论及精确分析方法

3.1 反应谱基础理论

3.1.1 伪响应谱:

3.1.2 多自由度系统的反应谱估算

3.1.3 将反应谱概念应用到随机振动问题

3.2 列车抖振反应谱中应考虑的特殊因素

3.3 列车的抖振反应谱的理论分析方法

3.4 抖振反应谱的计算步骤

3.5 计算实例

3.6 本章小结

第四章列车-轨道时变系统振动方程的建立与求解

4.1 列车-轨道时变系统振动分析模型基本假设

4.2 曲（直）线轨道空间振动分析模型

4.2.1 分析模型

4.2.2 坐标选择与坐标变换

4.3 机车车辆空间振动分析模型

4.4 列车-轨道时变系统空间振动方程的建立

4.5 列车-轨道时变系统空间振动方程的求解及激振源

4.6 本章小结

第五章列车脱轨力学机理与列车脱轨能量随机分析理论

5.1 列车脱轨力学机理

5.1.1 系统状态稳定性的物理概念

5.1.2 列车-轨道（桥梁）系统振动的自激性质与列车脱轨力学机理

5.1.2.1 系统自激振动的物理概念

5.1.2.2 列车脱轨的力学机理分析

5.1.3 系统稳定性分析理论简述

5.1.3.1 现有运动稳定性理论不能分析车桥（轨）系统横向振动稳定性

5.1.3.2 系统稳定性分析理论

5.1.4 系统状态稳定及失稳与破坏的标志

5.1.5 列车-桥梁（轨道）系统横向振动稳定性的分析思路

5.2 列车脱轨能量随机分析理论

5.2.1 列车脱轨条件

5.2.2 列车-轨道（桥梁）系统横向振动最大输入能量

p的确定'>5.2.2.1 列车不脱轨时车桥（轨）系统横向振动输入能量σ_p的确定

p·max的确定'>5.2.2.2 列车-轨道（桥梁）系统横向振动最大输入能量σ_p·max的确定

5.2.3 列车-桥梁（轨道）系统横向振动极限抗力作功

5.2.3.1 车轮脱轨几何准则

c计算'>5.2.3.2 列车-轨道（桥梁）系统横向振动极限抗力作功σ_c计算

5.2.4 列车脱轨能量增量判别准则

r车速下列车脱轨准则'>5.2.4.1 评判v_r车速下列车脱轨准则

r车速下列车不脱轨准则'>5.2.4.2 评判v_r车速下列车不脱轨准则

5.3 列车脱轨实例论证

5.4 本章小结

第六章风载荷下列车脱轨能量随机分析理论

6.1 风载荷下列车脱轨分析的困难

6.2 风载荷下列车脱轨分析理论

6.2.1 时域法

6.2.1.1 无风系统振动方程分析

6.2.1.2 列车-轨道（桥梁）-风系统振动方程分析

6.2.2 频域法

6.2.2.1 列车脱轨条件

p的确定'>6.2.2.2 列车-轨道（桥梁）系统横向振动输入能量σ_p的确定

6.2.2.3 列车-轨道（桥梁）系统横向振动极限抗力作功

6.2.2.4 风载荷下列车脱轨能量增量判别准则

6.3 风载荷下列车脱轨倾覆分析理论

6.3.1 列车倾覆力学机理

6.3.2 列车倾覆条件

6.3.3 列车倾覆过程绕流流场的变化

6.4 实例分析

6.5 本章小结

第七章结论与展望

7.1 本文研究工作的总结

7.2 本文主要创新点

7.2.1 理论方面的创新

7.2.2 应用方面的创新

7.3 今后工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果

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