考虑轮对弹性时车辆系统动力学建模与仿真分析

论文摘要

在世界上铁路开通的初期,由于轮轨接触点的运动而引起的车辆一轨道系统动力学问题就被提出来了,但对机车车辆系统进行动力学分析时并不考虑各个部件的弹性效应,而通常将其处理为刚体。随着现代铁道车辆的发展,出现了许多新的技术,车辆各部件之间的联系也越来越复杂,并且随着轻型化结构在车辆中的应用,以及列车运行速度的提高,使得在车辆的稳定性、安全性分析上考虑部件的柔性对整车动力学的影响已不容忽视。本文正是在这种背景下,以国内某动车组为原型,开展了铁道车辆多体系统动力学建模与仿真研究工作。在分析轮对结构的基础上,论文详细阐述了车辆弹性体轮对动力学建模的过程,联合利用计算机辅助设计软件Solidworks、有限元软件ANSYS和多体动力学仿真软件SIMPACK,建立了弹性体轮对动力学模型。在分析动车组车辆的运动学关系与悬挂结构的基础上,建立了考虑轮对弹性效应的车辆多体动力学模型。由于考虑了轮对的结构弹性,轮对结构的弹性变形在车辆运行过程中表现出来。为了探明轮对的弹性变形效应对车辆动力学性能的影响,开展了轮对为弹性体的车辆系统动力学仿真分析。通过分析轮对横向位移的时间历程判定了弹性体轮对车辆的临界速度,以此确定车辆运动的稳定性;研究了车辆在德国高速低干扰谱激励作用下的车辆运行平稳性;仿真分析了车辆通过不同曲线线路时的轮轨横向力、轮轨垂向力、轮轴横向力、轮重减载率和脱轨系数的时间响应历程。并将轮对为弹性和刚性时的车辆系统动力学仿真结果进行了对比。结果表明,轮对的弹性变形效应降低了车辆的临界速度,但幅值不大;轮对弹性变形效应对车辆的运行平稳性和曲线通过性能也有微弱程度的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 车辆系统动力学的发展概况
• 1.2 多体动力学的发展概况
• 1.3 车辆系统刚—柔耦合动力学的研究概况
• 1.4 论文研究意义、主要内容及方法
• 1.4.1 论文研究意义
• 1.4.2 论文主要研究内容及方法
• 第2章 轮对有限元建模及分析
• 2.1 轮对的结构及作用
• 2.1.1 轮对的组成
• 2.1.2 轮对的作用
• 2.2 轮对有限元建模软件介绍
• 2.2.1 计算机辅助设计软件SolidWorks简介
• 2.2.2 有限元分析软件ANSYS简介
• 2.3 轮对实体建模
• 2.4 轮对有限元分析
• 2.4.1 轮对材质属性与有限元网格划分
• 2.4.2 轮对子结构分析
• 2.4.3 轮对模态分析
• 本章小结
• 第3章 弹性体轮对在多体系统动力学中的实现
• 3.1 柔性结构在多体系统动力学建模的思想
• 3.2 弹性体轮对动力学建模的实现
• 3.2.1 动力学分析软件SIMPACK弹性体接口模块FEMBS
• 3.2.2 弹性体轮对动力学建模流程
• 3.3 弹性体轮对动力学模型
• 3.3.1 SIMPACK标准输入数据文件（SID FEM）生成
• 3.3.2 弹性体轮对动力学模型的建立
• 本章小结
• 第4章 弹性体轮对的轮轨接触关系
• 4.1 刚性体轮对的轮轨接触关系
• 4.1.1 运动方程
• 4.1.2 轮轨接触模型及接触点
• 4.1.3 轮轨接触在仿真中的实现
• 4.1.4 轮轨力
• 4.2 弹性体轮对的轮轨接触关系
• 本章小结
• 第5章 铁道车辆动力学建模
• 5.1 车辆模型
• 5.2 轨道模型
• 5.3 车辆—轨道系统运动学关系分析
• 5.4 动力学模型处理
• 本章小结
• 第6章 考虑轮对弹性的车辆系统动力学仿真分析
• 6.1 铁道车辆系统动力学仿真内容
• 6.2 车辆运动稳定性计算结果的比较
• 6.2.1 车辆运动稳定性的判定方法
• 6.2.2 车辆运动稳定性比较
• 6.3 车辆运行平稳性计算结果比较
• 6.3.1 车辆运行平稳性的判定方法
• 6.3.2 车辆运行平稳性比较
• 6.4 车辆曲线通过性能计算结果的比较
• 6.4.1 车辆曲线通过性能的计算内容
• 6.4.2 车辆曲线通过性能比较
• 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及所参加的科研实践