基于ANSYS的輪軌激振對高速列車車體動力學性能研究

王發(fā)剛　胡士華

摘 要：交通強國，鐵路先行。鐵路作為國民經(jīng)濟的大動脈，關(guān)乎著國民經(jīng)濟的發(fā)展，民生的需求。目前，我國高鐵運營最高時速達350km/h，是世界上高鐵運營的最高時速。隨著速度增加，輪軌間的作用力會增大，輪軌間會產(chǎn)生高頻振動，會通過轉(zhuǎn)向架傳遞到車體。此外，當高鐵時速達350km/h時，百分之八十的動力用于空氣阻力，如果車體沒有具有足夠的強度，強大的氣壓會壓扁車體，所以研究高強度的車體成為各國研究的重點。本文利用ANSYS軟件分析高速列車動力學性能，并提出對車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)。

關(guān)鍵詞：高速列車車體 車體動力學

Study on the Dynamic Performance of High-speed Train Body based on ANSYS Wheel-rail Excitation

Wang Fagang，Hu Shihua

Abstract：To strengthen a country through transportation， the development of railway must be put on the first place. As the main artery of the national economy， the railway is related to the development of the national economy and the needs of the people's livelihood. At present， the maximum speed of China's high-speed rail operation reaches 350km/h， which is the highest speed of high-speed rail operation in the world. As the speed increases， the force between the wheels and rails increases， and high-frequency vibrations are generated between the wheels and rails， which are transmitted to the body through the bogie. In addition， when the speed of high-speed rail reaches 350km/h， 80% of the power is used for air resistance， if the car body does not have enough strength， strong air pressure will flatten the car body， so the study of high-strength car body has become the focus of research in various countries. In this paper， ANSYS software is used to analyze the dynamic performance of high-speed trains and propose optimization parameters for the structure of the car body.

Key words：high-speed train body， car body dynamics

1 引言

交通強國，鐵路先行，鐵路是國民經(jīng)濟的大動脈，關(guān)乎著國家經(jīng)濟發(fā)展，民生的需求。人民群眾對高速鐵路的需求伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展也越來越高，高速鐵路也因為速度快、高舒適性、安全性高和節(jié)能備受關(guān)注。中國是“一帶一路”倡議的提出國，沿線國家的群眾共享中國智慧和中國方案，帶動著沿線國家經(jīng)濟發(fā)展。高鐵已成為中國一道亮麗的名片，中國高鐵走出去，讓更多的國家享受到中國科技的進步帶來的便利，高鐵的走出去有利于提高我國的國際影響力，為世界經(jīng)濟的發(fā)展貢獻中國力量和中國智慧，極大提高我國國際影響力。我國高鐵技術(shù)遙遙領(lǐng)先于世界各國，站在世界的頂峰也會帶來新的挑戰(zhàn)，如何再取得重大突破成為一道難題。只有不斷自我完善、自我革新。以技術(shù)立身，才為國家的發(fā)展創(chuàng)造機遇。我國高鐵最高運營時速達350km/h，高鐵80%的動力用于克服空氣阻力。巨大的空氣阻力給高速列車的車體帶來嚴峻考驗。同時由于輪軌激振，通過轉(zhuǎn)向架傳遞到車體，引起車體振動，這對車體的平順性有了越來越高的要求。因而，高強度鋁合金高速動車組車體已成為高鐵九大關(guān)鍵技術(shù)之一，強度高，質(zhì)量輕的，剛度大的鋁合金車體已成為各國研究的重點。目前，理論研究、物理試驗和計算機仿真是研究車體強度的三個主要方法。研究車體強度時，不單單進行車體的理論研究，還要通過計算利用軟件模擬和物理測試的方法進行研究。由于動車組整體造價很高，每次試驗車都是用整車來進行研究的強度試驗難度很大，并且成本很高。所以，研究動車組車體時并不是新建實驗線路，制造實驗車進行實驗，測試車體的強度設計標準和剛度設計標準，這樣設計成本就會急劇增加。而是根據(jù)多年研究總結(jié)的設計經(jīng)驗，設計合理的動車組車體方案，然后對方案進行強度和同步失效標準檢測。高速動車組車體的動力學也是動車組結(jié)構(gòu)設計的重要問題。動車組高速運行，輪軌與軌道之間的振動頻率會隨著車速的增加而增加，軌道和動車組車輪之間的作用力也會隨著增大而產(chǎn)生高頻振動，由于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車輪、一系懸掛相連接，導致轉(zhuǎn)向架發(fā)生共振，共振會通過二系懸掛傳遞到車體，車體高頻成分增加，車體的各部分零件振動會更加強烈，會嚴重影響乘客的舒適性。

2 高速列車車體建模

2.1 有限元法核心思想

有限元法計算過程是將連續(xù)的整體劃分成一定離散單元，是把復雜的結(jié)構(gòu)變成有限的單元組成的整體，再對這些有限的單元分別進行分析計算，然后原來的整體結(jié)構(gòu)分析通過這些有限元重新進行組合分析代替，從而簡化了計算分析的工作量但是有限元分析會得到與原來復雜整體結(jié)構(gòu)數(shù)值的近似數(shù)值解。工程、機械、電氣等領(lǐng)域也應用有限元分析解決所遇到的問題。有限元法目前是計算輔助工程系統(tǒng)中分析計算能力最強的方法。由于有限元法應用領(lǐng)域極其廣泛，使得有限元法是應用次數(shù)最多分析的方法。從力學角度來分析，有限元是以位移的方法為基礎(chǔ)，對整體結(jié)構(gòu)進行單元化來計算應力和位移。一般包括有有限元前處理、有限元分析計算和有限元后處理三個步驟。

2.2 ANSYS軟件

有限元分析中應用最為廣泛的軟件是ANSYS，ANSYS也是有限元分析中功能最強大，分析功能最強的軟件?？梢赃M行系統(tǒng)的靜力分析，結(jié)構(gòu)非線性分析、聲場分析和熱分析等。ANSYS軟件功能強大，可以進行多種有限元分析計算，構(gòu)建模型操作性簡單，方便快速建模。利用ANSYS軟件建立有限元分析模型不僅可使設計成本極大降低，建模快速便捷可縮短設計產(chǎn)品時長，而且分析結(jié)構(gòu)功能強大并且穩(wěn)定。主要有靜力分析，屈曲分析和模態(tài)分析等結(jié)構(gòu)分析分析。基本未知量為網(wǎng)絡節(jié)點的位移值，可參照有限元理論通過節(jié)點位移導出應力、應變和反作用等。除了位移值的結(jié)果，結(jié)構(gòu)分析的其余結(jié)構(gòu)都是節(jié)點位移的派生值。利用ANSYS軟件分析有限元模型時，判斷分析的結(jié)果與實際結(jié)果是否正確，只要檢查位移值就可以了，而不是通過多方面數(shù)據(jù)對比，檢查位移值正確無誤則說明結(jié)果正確無誤。本文研究車體高速列車車體動力學性能是利用ANSYS軟件進行分析的。

2.3 高速列車車體有限模型建立

高速列車車體是高鐵九大關(guān)鍵技術(shù)之一。高速動車組采用的是鋁合金車體，采用的是三角框架結(jié)構(gòu)，動車組運行環(huán)境有晴天、暴雨、風沙等特殊惡劣環(huán)境，動車組高速運行時受到的風壓很大，在利用有限元軟件建立動車組車體模型時要精密。在利用有限元軟件對高速列車車體建模時采用FEA模型，平面模型不能準確體現(xiàn)動車組車體建構(gòu)，需要建立三維模型。建模第一步需要確定動車車體的材料（動車組車體材料采用鋁合金）和車體型材的斷面（采用三角框架結(jié)構(gòu)），第二步對動車組車體中緬抽取并進行集中處理，最后一步是利用有限元軟件HyperMesh對動車組車體建立模型。動車組在高速運行時受到的強大的風壓，為了對抗風壓，保證安全運行，動車組車體是一個復雜而龐大的結(jié)構(gòu)，要想建立高精確模型是十分困難，工作量巨大，所以建立的動車組車體模型與高速列車實際車體結(jié)構(gòu)會有所差別，但是對仿真結(jié)果影響不大。對于一些細小的結(jié)構(gòu)，如果對其細致描述，會增大建立模型的難度，控制網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)目也難以控制，影響計算精度的精確度。所以需要對車體進行適當簡化，簡化的同時要保證主要力學特性為基本原則，簡化程度以分析目的為主。本文利用ANSYS軟件在建立高速列車車體有限元模型時，車體的結(jié)構(gòu)與實際的高速列車車體結(jié)構(gòu)相比會有適當?shù)暮喕?，這些簡化不是隨意的，是按照高速列車車體的結(jié)構(gòu)在不影響有限元分析結(jié)構(gòu)的情況下適當簡化。高速列車車體簡化主要包括：車體結(jié)構(gòu)截面形狀簡化、省略非承載式件、簡化倒角和細小圓角和結(jié)構(gòu)表面光順化。

3 高速列車多剛體系統(tǒng)動力學模型建立

高速列車車輛是由車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、輪對、一系懸掛和二系懸掛等組成，包括彈簧、阻尼以及質(zhì)量的系統(tǒng)，是一個復雜并且多自由度系統(tǒng)。車輛的零部件復雜，種類繁多，要進行詳細的建模是很困難的，需要簡化假設。分析動力學性能的方法是詳細模型數(shù)值積分。

3.1 CRH3型動車組轉(zhuǎn)向架

CRH3型動車組轉(zhuǎn)向架是長客股份引進德國西門子公司的SF500高速轉(zhuǎn)向架。SF500高速動車組轉(zhuǎn)向架由整體動車輪對、一系懸掛裝置，軸箱定位裝置、橫向終點止動裝置、二系懸掛裝置、橫向懸掛裝置、抗蛇形減震器、空氣彈簧連桿、扛側(cè)滾扭桿組成、動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、輪盤制動組成、牽引拉桿組成、牽引電機組成、牽引電機通風裝置、天線組成、感應接收裝置、輪緣潤滑組成和撒沙和排障器組成。動車組構(gòu)架采用雙H形鋼板壓型焊接結(jié)構(gòu)材質(zhì)為低合景高強度耐候鋼。轉(zhuǎn)向架一系懸掛主要部件有雙螺旋鋼彈簧、垂向減震器和柔性橡膠墊轉(zhuǎn)臂定位，一系懸掛可以減小轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由于輪軌間中作用力引起的高頻振動。二系懸掛的主要部件有枕梁+高柔性空氣彈簧、扭桿、高柔性空氣彈簧、橫向減震器、Z型拉桿牽引、1點式高度控制和抗蛇形減震器，主要作用是減少車體的高頻振動和蛇形運動，減少車體的振動和增加舒適性。

3.2 高速列車車體動力學建?；A(chǔ)思想

科技革命以來，計算機技術(shù)迅猛發(fā)展，應用領(lǐng)域越來越廣。各種有限元分析商業(yè)化軟件功能也隨著計算機技術(shù)的發(fā)展越來越強大，很多有限元分析先進的建模方法得到應用和發(fā)展，提高高速動車組動力學建模仿真計算的準確性。多體系統(tǒng)動力學軟件也為了適應車輛動力學習的發(fā)展也朝著多學科、多交叉方向發(fā)展，如逐步與MATLAB等仿真語言相結(jié)合。

3.2.1 高速動車組動力建模仿真計算方法

高速列車車體系統(tǒng)動力學發(fā)展建模有一下幾個步驟：

（1）建模時要對實際高速列車車體進行簡化，省略次要因素，抓住車體主要特征。關(guān)鍵的細節(jié)如高速列車車體結(jié)構(gòu)特點等關(guān)鍵細節(jié)要包含有。

（2）高速列車行駛時的數(shù)學模型相當于創(chuàng)建高速列車行駛的動力學模型。高速列車的車體剛度、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、輪對等結(jié)構(gòu)具有高剛度的特點，其剛度會比懸掛系統(tǒng)大很多，處理方法是列車系統(tǒng)考慮為多剛體系統(tǒng)。

（3）對車體進行動力學仿真研究時借助大型商業(yè)化仿真軟件或者編寫或者開發(fā)相關(guān)軟件進行。

（4）要對獲得數(shù)據(jù)進行有效的后處理，輸出仿真所需的各項數(shù)據(jù)結(jié)果并對放分結(jié)果合理解釋。

3.3 高速列車多剛體動力學仿真模型的建立

在多體力學建模軟件ADAMS中創(chuàng)建高速列車車體動力學模型。利用ADAMS軟件可以建立高速列車仿真模型，便于分析計算列車動力學模型。

3.3.1 常用物理模型

目前，采用以下幾種物理模型研究高速列車車體動力學性能，用于研究動車組蛇形運動的特性和其發(fā)生失穩(wěn)臨街速度的大小用高速列車蛇形穩(wěn)定模型；高速列車通過曲線是的動力學性能指標用高速列車曲線通過模型；分析高速列車由于軌道不平順等各種外界條件引起不平順輸入響應采用高速列車行駛的橫向動力學模型和垂向動力學模型。

3.3.2 輪軌振動激勵

高速列車在高速行駛的過程中，輪對在軌道轉(zhuǎn)動，會造成輪對和軌道產(chǎn)生振動，是輪軌振動的主要原因，同時會產(chǎn)生激擾作用。由于輪軌在軌道高速旋轉(zhuǎn)，時間久了軌道和輪對自然會產(chǎn)生磨損。軌道采用無縫鋼軌，為了保證高速列車運行的平穩(wěn)性，其焊接處高度不超過一根頭發(fā)絲。車輪出現(xiàn)損耗缺陷影響運行時，拆下來維修或者更換相比更換軌道的成本會低很多，因此對高速列車中間進行建模仿真時，只需要考慮軌道的關(guān)鍵因素。

為方便研究高速列車動力學仿真分析，并且軌道由于地勢存在著水平高低不同，線路也不可能修成直線。確定激勵可用準確的形式表達線路高低、方向和水平不平。非確定的激勵是隨機發(fā)生變化的，難以進行確認。對于這些非確定的激勵，只有反復對軌道線路進行實地測量把數(shù)據(jù)并記錄下來，找到相應規(guī)律，并且采用一些運算方法來應用這些軌道不平順。本文采用德國高干軌道譜。

空間頻率F或者空間波束O一般在在國際上被用來對軌道不平順進項表達。時間頻率f與時間波束w之間的關(guān)系表達如下：

F=f/vO=w/vO=2pF

其中，v-列車運行速度。

4 高速列車動力學性能評定指標

在修建高速鐵路線路時，由于地面高度起伏不定，各國修建鐵路線路不同，德國、法國、日本等國采用的是直接在地面修建，地勢高的地方挖平、地勢低的地方采用填補方式。我國與國外不同，采用的是架橋，即在地面修建好橋，在橋上鋪設鋼軌。這樣可以解決地勢起伏不定，降低修建成本，也可節(jié)約使用土地成本。但由于車體本身的結(jié)構(gòu)特點，軌道不可能修建成整個線路都是水平的，會存在一定的落差。高速列車在軌道上高速運行時，由于軌道存在一定的落差或者轉(zhuǎn)向，因而會產(chǎn)生不同類型的軌道不平順。由于車輪與軌道直接接觸，這些不平順就會經(jīng)車輪傳遞到轉(zhuǎn)向架，再由轉(zhuǎn)向架車體到車體上，就會引起車體的各部件引起不同的振動，就會導致車體各部件發(fā)生相對位移或者加速度。研究車體動力學時，考慮線路不平順和輪軌作用力的同時，也要考慮車體自身結(jié)構(gòu)特點和各種動力學參數(shù)。研究車體動力學時把車體看作剛體，車體的變形比懸掛系統(tǒng)的彈性變形小很多。

高速列車在軌道上運行時，往往要考慮高速列車在直線運行時的平穩(wěn)性、曲線通過性能和抗蛇形運動。所以評定高速列車動力學性能時，要評判上訴三個性能。我國對客車動力學仿真分析是參照GB/T5599-1985 《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》，主要評判以下3個指標：（1）機車車輛在直線運行時，在外界因素干擾作用下的車體垂向最大振動加速度與平穩(wěn)性指標和橫向最大振動加速度與平穩(wěn)性指標；（2）鐵道車輛發(fā)生蛇行失穩(wěn)時臨界速度；（3）鐵道機車車輛進行曲線通過時動力學性能指標。

5 高速列車動力學優(yōu)化研究

高速列車車體動力學性能取決于轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)之間的相互匹配，高速列車車輪與一系懸掛存在向、縱向、橫向彈性定位作用。轉(zhuǎn)向架與高速列車車體通過二次懸掛裝置相連接，因此高速列車車體的重量全部加載在轉(zhuǎn)向架上。此外，轉(zhuǎn)向架與空氣彈簧組合控制車鉤的高度，因此需要調(diào)整的高速列車車體剛度不大。

一系縱向定位剛度值的增長會導致車輛直線運行時脫軌系數(shù)變小。車輛曲線通過脫軌系數(shù)與車輛直線運行時脫軌系數(shù)成正比例關(guān)系，即會隨著一系縱向定位剛度值的增長而變大，但不是一直隨著車輛直線運行時脫軌系數(shù)增大而增大，當增大到一定值后增長速率會降低。只有在一定范圍內(nèi)，一系縱向定位剛度值適當增加，對車輛的直線運動特性提高提高有促進作用。但這也會導致列車通過曲線是的最大輪軌作用力，輪軌作用力增加會不利于列車通過曲線，增加脫軌風險，同時也會增加車輛的磨損，增加維修成本。通過實驗得出：一系縱向定位剛度值為15MN/m合適。

課題來源：廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“基于SIMPACK和ANSYS的輪軌激振對高速列車車體動力學性能研究”（2022KY1408）。

參考文獻：

[1]孫光奇.高速列車車體強度與動力學分析[D].大連交通大學，2016.

[2]王蕾.轉(zhuǎn)向架構(gòu)架隨機振動疲勞強度分析[D].大連交通大學，2019.