铁路货车的散体货物、流体货物动压力研究

论文摘要

铁路运输在我国国民经济和在综合运输网络中具有其他运输方式难以替代的巨大作用。随着货运重载化和运行速度加快,其行车安全是人们关注的重点,因而对行车安全性能的研究具有重要的现实意义。本文以敞车和罐车为研究对象,探讨敞车中散粒体和罐车中流体货物对车体的动压力和冲击力,为制定合理的运行参数和设计制造出满足要求的列车提供参考数据,主要研究成果如下:在经典主动土压力水平层分析方法的基础上,提出了计算散粒货物对敞车侧壁的静压力影响规律的理论模型,并采用Matlab编程数值求解该理论模型。求解结果显示,散粒体对敞车侧壁压力分布呈半弓形,特别是较低高度时与经典库仑土压力分布区别较大。为了进一步验证模型,建立了敞车散粒体有限元模型,模拟结果显示,散粒体对敞车侧壁压力分布与理论计算结果接近,随着散粒货物与敞车之间的摩擦角δ值的增加,主动压力减小,作用点高度增加;随着散粒货物内摩擦角φ值的增加,主动压力减小,作用点高度减小。砂性土或粘性土的变化规律相同;θ_c值反应曲线破裂面形状,θ_c越小,破裂面越陡(接近直线)。随着δ值的增加,θ_c变大;随着φ值增加,θ_c变小。建立了动态状况下的散粒体对敞车侧壁动压力计算模型,分析了砂子、小麦、水洗煤对敞车侧壁的动压力,并讨论了δ、φ、θ变化时对动压力的影响。采用颗粒流法进行模拟验证,模拟计算了在装运不同货物、不同运行工况下敞车所受到的侧压力,并将结果与库仑土压力的结果进行比较分析。结果表明敞车所受的静、动侧压力与库仑土压力公式计算的结果相近但不同,端、侧墙的压力分布均为非线性分布,侧压力作用点高度也不是H/3处,而且与列车和货物的特征参数有关,与运行工况有关。具体表现为:随着散粒货物内摩擦角的增大,静态侧压力减小,作用点高度减小;动侧压力增加,作用点高度减小。随着车体与散体之间摩擦角的增加,静态侧压力减小,作用点高度增加;动侧压力增加,作用点高度增加。随着冲击速度的增加,动态侧压力增大,作用点高度增加。而且出现最大侧压力的时间也与货物参数及不同工况参数有关。实现了动态下的罐车内基于VOF模型的气液两相流的数值模拟,该模拟方法直接应用在流体对罐车动侧压力的研究。罐车在运输液体货物时的运行状况和动态响应的计算结果表明,罐车受到制动后,由于液体冲击,在动侧端产生较大压力,该压力一开始快速增大,达到最大值后,反复振荡衰减。罐车冲击端的受力大小与其制动初始速度关系密切,在一定的初始速度范围内,冲击端的受力与制动初始速度基本上成正比关系,但制动速度大小对于罐车中液体介质晃动的最大幅度影响不大。冲击端受力峰值出现的时间与冲击初始速度、液体物理性质、所载运液体的量等参数有关。在罐车内增加挡波板有利于减弱罐车内的液体波动,使得动侧压力在冲击初期就相对较小,有利于提高罐车的运行安全。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.1.1 散体对敞车作用力
• 1.1.2 流体对罐车作用力
• 1.2 国内外研究状况
• 1.2.1 理论分析方面
• 1.2.2 试验研究方面
• 1.2.3 数值分析方面
• 1.3 研究目的、研究方法和研究内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究方法和研究内容
• 1.3.3 论文框架结构
• 第二章 散体动侧压力数值分析方法
• 2.1 基本方程
• 2.1.1 力—位移方程
• 2.1.2 运动方程
• 2.1.3 初始条件和边界条件
• 2.2 本构模型
• 2.2.1 接触刚度模型
• 2.2.2 滑动模型
• 2.2.3 连接模型
• 2.2.3.1 接触连接模型
• 2.2.3.2 平行连接模型
• 2.3 散体参数的计量方法
• 2.3.1 颗粒接触数量
• 2.3.2 孔隙率
• 2.3.3 平均应力与平均应变
• 2.4 离散单元法
• 2.4.1 离散单元法
• 2.4.2 离散单元法数值模拟的步骤
• 2.5 本章小结
• 第三章 两相流作用下的罐车动侧压力数值分析方法
• 3.1 基本假设
• 3.2 初始条件和边界条件
• 3.3 罐内气液两相流的VOF模型
• 3.3.1 VOF两相流方法基本原理
• 3.3.2 VOF模型数学方程
• 3.4 网格生成
• 3.5 求解罐内气液两相流动VOF模型的计算步骤
• 3.6 本章小结
• 第四章 敞车散体静压力研究
• 4.1 散体静压力的水平层分析
• 4.1.1 破裂面模型的建立
• 4.1.2 主动侧压力分析
• 4.1.3 敞车静侧压力方程求解及分析
• 4.2 有限元法模拟散体对敞车的静侧压力
• 4.2.1 有限元模型的建立
• 4.2.2 模拟计算及结果分析
• 4.3 颗粒流法模拟静阶段不同参数对侧压力的影响
• 4.3.1 颗粒流模型的建立
• 4.3.2 容重对侧压力的影响分析
• 4.3.3 内摩擦角对侧压力的影响模拟分析
• 4.3.4 散体与敞车之间的不同摩擦角的影响模拟分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 敞车散体动压力研究
• 5.1 敞车运动过程分析
• 5.1.1 静阶段分析
• 5.1.2 小冲击阶段分析
• 5.1.3 大冲击阶段分析
• 5.2 被动土压力理论分析
• 5.2.1 模型确立及参数确定
• 5.2.2 被动侧压力分析
• 5.2.3 合力及作用点确定
• 5.2.4 被动土压力变化规律模拟分析
• 5.3 大冲击阶段动侧压力理论分析
• 5.3.1 大冲击阶段动侧压力理论分析
• 5.3.2 大冲击阶段总侧压力变化规律计算模拟分析
• 5.4 动态侧压力数值模拟分析过程
• 5.5 不同参数下侧压力动态模拟分析
• 5.5.1 容重对被动侧压力的影响模拟分析
• 5.5.2 内摩擦角对被动侧压力的影响模拟分析
• 5.5.3 散体与敞车之间的摩擦角对被动侧压力的影响模拟分析
• 5.5.4 冲击加速度对被动侧压力的影响模拟分析
• 5.5.5 冲击时间对被动侧压力的影响模拟分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 气液两相流作用下的罐车内动侧压力研究
• 6.1 模拟状态的选定
• 6.2 未加装挡波板的罐车内动压力研究
• 6.3 加装挡波板的罐车内动压力分布
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结及展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 体会及展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究生期间参加的科研项目及发表论文情况
• 参加科研项目
• 发表论文情况