考虑柔性轮对的车辆系统刚柔耦合动力学响应分析

刘衍璋 孙加林 李文斌 彭启钰 张骞

摘要：

为研究柔性轮对对高速列车动力学性能的影响，采用刚柔耦合动力学仿真方法，基于CRH380高速列车模型建立了柔性轮对结构条件下的车辆—轨道刚柔耦合动力学模型。分析了轮对柔性与全刚体结构条件下的车辆模型的安全性、轮轨动态相互作用及通过性指标。仿真结果表明，在车速300 km/h时，两模型在动力学指标上具有明显差异，主要表现在柔性轮对车辆模型轮轨垂向力幅值及轮重减载率幅值都低于全刚性体车辆模型，车辆振动加速度、脱轨系数及轮轴横向力波形结果差距较小。

关键词：

高速铁路；柔性轮对；刚柔耦合；仿真计算

中图分类号：U211.5         文献标志码：A

近年来，中国高铁技术发展迅速，极大的提升了人们的出行体验。随着列车速度以及运行环境复杂程度的提升，传统多刚体仿真模型无法保证仿真结果的精确性。为确保仿真结果更加贴合实际，有必要研究刚柔耦合模型与多刚体模型之间存在的差异。在基于模态法建立了柔性体轮对并集成到高速列车系统动力学模型中，柔性轮对模型对车辆系统的影响更大，且更接近实际情况［1-2］。随着轮轨接触理论的发展，提出了轮轨接触与轮对的特定耦合方法，即车轨动力系统模型能夠有效反映轮对柔性对轮轨滚动接触的影响［3］。有研究基于多体动力学理论关注了轮对结构振动对车辆系统动力学的影响，柔性轮对对车辆系统模型影响显著［4］。在道岔区的研究中，通过建立车辆—道岔刚柔耦合动力学模型，分析道岔区几何不平顺对车辆动力学性能的影响，给出了道岔区轨道几何不平顺限值［5］。研究货车系统动力学模型时，通过UM软件建立货车刚柔耦合模型，分析了轮对弹性振动对重载货车动力学性能的影响，结果表明弹性轮对引起的轮对垂向振动相比刚性货车模型振动差异显著［6］。在城轨列车方面，建立了考虑轮对柔性直线电机地铁刚轨道刚柔耦合模型，可知柔性轮对内置直线电机地铁车辆的轮轨垂向力更大［7］。通过分析轮对柔性对静态接触几何关系和车辆动态性能的影响，可知轮对柔性对轮轨力和一系悬挂会造成显著影响［8］。不仅如此，柔性轮对对于车辆的曲线通过性以及车轮的疲劳寿命都有一定程度的影响［9-10］。基于ANSYS和SIMPACK联合仿真将轮对柔性化处理，仿真结果表明柔性轮对模型的曲线通过性能优于刚性轮对［11］。池茂儒［12］提出了一种独立轮对柔性耦合径向转向架的新方案，发现了独立柔性耦合径向转向架的优势和利用潜质。在磁浮列车方面，磁浮车辆—道岔梁耦合振动模型仿真分析了主动梁的刚柔耦合动力学模型，结果表明，柔性主动梁更接近实际情况［13］。方吉［14］基于刚柔耦合模型提出了焊接结构振动疲劳寿命预测的新方法。本文将CRH380B动车组中的车轮假设为柔性体，基于ANSYS和SIMPACK建立刚柔耦合模型并分析动力学响应，考虑实际的轨道状况，添加京沪轨道不平顺激励，仿真结果更加接近实际运行情况。

1 车辆—轨道刚柔耦合动力学模型

1.1 柔性轮对的建模

在三维软件中建立轮对模型，导入有限元软件ANSYS。添加材料属性，密度7 850 kg/m3。弹性模量2.05e11 Pa，泊松比为0.3，轮对总重量为1 651 kg。采用六面体实体网格单元，共划分275 764个单元，318 244个节点，柔性轮对的有限元模型如图1所示。

基于有限元模型进行模态分析，获取30阶弹性体振动模态，部分模态振型图如图2所示。

1.2 轮对子结构缩减

模型模态分析完成后进行子结构缩减，缩减前需保留轮对模型主节点的自由度。轮对模型选取了803个主节点，实体单元格上每个主节点保留X，Y，Z三个方向的自由度，共计2 409个自由度。缩减后要保留轮对的刚度、质量和阻尼，生成包含轮对质量、刚度和阻尼的CDB和SUB文件。缩减后得到基于柔性轮对的刚柔耦合动力学模型［15］（图3），钢轨廓形为60 N。

1.3 车辆模型

本文选用CRH380B高速动车组动力学模型，车辆所有部件均为刚性体，整个车辆模型部件包括1个车体、2个构架、4个轮对、8个轴箱组成，共50个自由度。整车拓扑图如图4所示。

2 动力响应结果分析

2.1 轨道不平顺

两根钢轨在高低和左右方向与钢轨理想位置几何尺寸的偏差称为轨道不平顺，是产生机车震动的主要根源。为更好体现刚性/柔性轮对在多波长复杂激励下的响应，在线路上叠加了随机不平顺（图5）。

2.2 动力学性能评价指标

《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》（GB/T 5599—2019）对高速列车动力学性能指标做出相应规定。

（1）车体振动加速度。车体振动加速度反应了车辆的运行品质，对客车的运行品质评定限制：atz≤2.5 m/s2，aty≤2.5 m/s2，其中，atz为车体垂向加速度，aty为车体横向加速度。

（2）脱轨系数。脱轨系数限定值见表1。

（3）轮轴横向力。轮轴横向力：H≤15+P0/3，其中，H为轮轴横向力，P0为静轴重，单位为kN。

（4）轮轨垂向力。中国规范《95J01-L》中对每个车轮作用于轨道的轮轨垂向力峰值的极限值规定为170 kN。

（5）轮重减载率。轮重减载率评定按速度分类：a）当试验速度v≤160 km/h时，Δp/p-≤0.65；b）当试验速度v>160 km/h时，Δ≤p/p-≤0.80。

2.3 柔性轮对车辆直线运行稳定性影响

通过对比刚性轮对和柔性轮对对车辆直线运行稳定性的影响，建立直线长度为4 000 m的轨道线路，对线路施加随机不平顺。列车速度为300 km/h，不同轮对仿真结果对比如图6所示。

可知，对于车体振动加速度，两模型波形结果基本一致，极值略有不同，刚性轮对车辆模型车体垂向振动加速度最大值为0.031 m/s2，柔性轮对车辆模型车体垂向振动加速度最大值为0.030 m/s2；刚性轮对车辆模型车体横向振动加速度最大值为0.060 m/s2，柔性轮对车辆模型车体横向振动加速度最大值为0.064 m/s2；对于脱轨系数，两模型结果波形基本一致，但最大值略有不同，柔性轮对车辆模型整体脱轨系数峰值大于刚性轮对车辆模型，主要表现为刚性轮对车辆模型脱轨系数最大值为0.10，柔性轮对车辆模型脱轨系数最大值为0.21。两模型轮重减载率分布规律也是如此，但刚性轮对车辆模型的轮重减载率幅值显然大于柔性轮对车辆模型，主要表现为刚性轮对车辆模型轮重减载率最大值为0.65，而柔性轮对车辆模型为0.39，均符合安全限值规范；对于轮轴垂向力，两模型波形结果分布也是基本一致，刚性轮对车辆模型轮轴横向力最大值大于柔性轮对车辆模型，表现为刚性轮对车辆模型轮轴横向力最大值为12.76 kN，柔性轮对车辆模型轮轴横向力最大值为8.94 kN，均符合动力学评价标准。由轮轨垂向力波形图可知，刚性轮对车辆模型最大值整体大于柔性轮对车辆模型，主要表现为刚性轮对车辆模型轮轨垂向力最大值为117.63 kN，柔性轮对车辆模型轮轨垂向力最大值为110.62 kN，符合動力学评价标准。

3 结论

本文运用有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK进行联合仿真分析，建立了柔性轮对车辆—轨道刚柔耦合模型模型及CRH380B高速列车模型，在长度为4 000 m的直线轨道上施加随机轨道不平顺激励。仿真结果表明，刚性轮对车辆模型及柔性轮对车辆模型车体的横向/垂向振动加速度变化规律基本一致，柔性轮对车辆模型的车体振动加速度最大值略大于刚性轮对车辆模型。两车辆模型脱轨系数都满足规范限制要求，但柔性轮对车辆模型脱轨系数最大值大于刚性轮对车辆模型。对于轮轴轮重减载率分布规律也是如此，整体轮重减载率分布波形图一致，但幅值有较大差异，刚性轮对车辆模型轮重减载率幅值显著大于柔性轮对车辆模型轮重减载率最大值。对于轮轨动态相互作用，两模型的轮轴横向力分布规律与平稳性指标分布规律基本一致，柔性轮对车辆模型轮轴横向力最大值略大于刚性轮对车辆模型；对于轮轨垂向力，两模型虽变化波形基本一致，但整体刚性轮对车辆模型轮轨垂向力最大值大于柔性轮对车辆模型，柔性轮对对于轮轨动态相互作用的影响较大。

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Dynamic Response Analysis of Rigid-flex Coupling of Vehicle System Considering Flexible Wheelset

LIU Yan-zhang1， SUN Jia-lin2， LI Wen-bin1， PENG Qi-yu1， ZHANG Qian1，3

（1. Mechanical and Electrical Engineering College， Qingdao University， Qingdao 266071， China;

2. Infrastructure Inspection Research Institute， China Academy of Railway Sciences CorporationLimited， Beijing 100081， China;

3. National Engineering Laboratory for High-speed Train System Integration， CRRC QingdaoSifang Co. LTD， Qingdao 266111， China）

Abstract：

In order to research the influence of flexible wheelset on the dynamic performance of high-speed train， the rigid-flexible coupling dynamic model of vehicle track under the condition of flexible wheelset structure was established based on CRH380 high-speed train model by using rigid-flexible coupling dynamic simulation method. The safety， wheel rail dynamic interaction， and trafficability indicators of vehicle models under the conditions of flexible wheelsets and fully rigid body structures were researched. The simulation results show that there is a significant difference in dynamic indicators between the two models at a speed of 300 km/h， mainly manifested in the fact that the amplitude of the vertical force on the wheel rail and the amplitude of the wheel load reduction rate on the flexible wheelset vehicle model are lower than those on the fully rigid vehicle model， while the results of the vehicle vibration acceleration， derailment coefficient， and lateral force waveform on the wheel axle have a small difference.

Keywords：

speed railway; flexible wheelset; rigid-flex coupling; simulation calculations

收稿日期：2023-04-27

基金項目：

山东省自然科学基金（批准号：ZR2019PEE011）资助。

通信作者：

张骞，男，博士，副教授，主要研究方向为轨道动力学。E-mail：figozq100@sina.com