基于SIMPACK和ANSYS的輪軌激振對高速列車車體動(dòng)力學(xué)性能研究

王發(fā)剛　胡士華

摘 要：我國高速列車最高運(yùn)營時(shí)速達(dá)350km/h，是世界上高鐵運(yùn)營時(shí)速最高的國家。高速列車運(yùn)行時(shí)速達(dá)到300km/h時(shí)，列車車體就會(huì)受到強(qiáng)大的空氣壓力，并且百分之八十的牽引力用于克服空氣阻力。因受到空氣強(qiáng)大的壓強(qiáng)影響，鋁合金車體必須具有強(qiáng)大的強(qiáng)度和剛度，剛度和強(qiáng)度過低必然會(huì)導(dǎo)致鋁合金車體的受空氣的壓迫導(dǎo)致變形或者壓扁，給行車安全帶來極大的安全隱患。交通強(qiáng)國，鐵路先行。鐵路作為國民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，鐵路的發(fā)展關(guān)乎著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。高鐵已成中國一道亮麗的名片，不容有安全隱患，所以在試驗(yàn)時(shí)必須反復(fù)檢查，把隱患消除在搖籃里。本文利用ANSYS軟件研究高速列車車體動(dòng)力學(xué)，分析評價(jià)方法，并優(yōu)化參數(shù)。

關(guān)鍵詞：高速列車車體 評價(jià)方法 優(yōu)化參數(shù)

1 引言

新中國成立以來，我國國民經(jīng)濟(jì)快速快發(fā)展，由一窮二白的國家發(fā)展成為經(jīng)濟(jì)體量第二的大國，我國綜合實(shí)力不斷增強(qiáng)。我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展離不開交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展。交通強(qiáng)國，鐵路先行。鐵路是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主動(dòng)脈，國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展又為鐵路的發(fā)展提供更多的經(jīng)費(fèi)支持。隨著我國科技的發(fā)展，運(yùn)輸行業(yè)的科技含量與技術(shù)手段也得到快速提高與應(yīng)用，也為交通運(yùn)輸行業(yè)更加安全合理運(yùn)行提供保障，安全、高效和合理的運(yùn)行為我國國民經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展提供源源不斷的動(dòng)力。鐵路客運(yùn)快速化、安全化，貨運(yùn)重載化發(fā)展為中國鐵路發(fā)展的目標(biāo)，同時(shí)也對線路平總斷面的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和平順性的要求也越來越高，對車體的鋼度，封閉性的要求也越來越高。高鐵作為中國一張靚麗的名片，對推動(dòng)國家現(xiàn)代化和提升中國國際地位具有重要戰(zhàn)略意義。在中國高鐵技術(shù)如火如荼發(fā)展的背景下，旅客的要求也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，安全、快速不在滿足旅客的要求，乘坐的舒適性和車體性能品質(zhì)也成為重要的因素之一。由于高速列車在軌道上運(yùn)行，輪軌間的作用力會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng)，會(huì)通過輪對、一系懸掛、轉(zhuǎn)向架、二系懸掛傳遞到車體，會(huì)造成車體振動(dòng)，影響乘客乘坐的舒適性，危及行車安全性，同時(shí)也會(huì)使車體零部件產(chǎn)生疲勞失效等問題。因此，研究消除車體系統(tǒng)中的彈性影響，成為各國研究研究的熱點(diǎn)。

2 高速列車車體強(qiáng)度研究概況

2.1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展概況

列車在軌道上行駛時(shí)，列車和軌道線路共同構(gòu)建一個(gè)龐大的系統(tǒng)，組成系統(tǒng)的各部分之間相互聯(lián)系相互作用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各部分會(huì)受到振動(dòng)受到力的作用并且產(chǎn)生位移，包括列車與軌道線路，機(jī)車與車輛以及車輛與車輛之間的彼此作用。車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)就是研究分析這些力和位移變化規(guī)律的學(xué)科。響應(yīng)問題和穩(wěn)定性問題是研究分析車輛動(dòng)力學(xué)研究兩大關(guān)鍵問題。

科技革命以來科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用分析車輛動(dòng)力學(xué)技術(shù)越來越成熟，推動(dòng)著車輛動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。多復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型都可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)建模求解分析?？萍嫉倪M(jìn)步推動(dòng)這分析車輛動(dòng)力學(xué)軟件的發(fā)展，目前一些國家的公司相繼開發(fā)出研究車輛動(dòng)力學(xué)性能軟件，如美國的NUCARS和 ADAMS/Rail、德國的MEDYNA和SIMPACK，英國的VAMPIRE和法國的VOCO等。

鐵路客運(yùn)快速化，貨運(yùn)重載化是各國鐵路發(fā)展的共同目標(biāo)。目前，我國高速鐵路最高運(yùn)營時(shí)速達(dá)350km/h，是世界上鐵路運(yùn)營時(shí)速最快的國家。未來，我國中長期目標(biāo)是發(fā)展時(shí)速1000km/h和2000km/h高速列車，遠(yuǎn)期目標(biāo)是發(fā)展時(shí)速達(dá)4000km/h的高速列車。隨著運(yùn)行時(shí)速不斷增加，車輪和軌道間的振動(dòng)會(huì)隨著速度增加而加劇，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行的安全性和旅客的舒適性，同時(shí)也會(huì)使列車的零部件產(chǎn)生變形等。車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中以往是將車體作為剛性系統(tǒng)來處理，沒有將彈性變形考慮在內(nèi)。以上分析的這些問題，給車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析帶來考驗(yàn)和挑戰(zhàn)。

2.2 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展概況

共同組成系統(tǒng)的物體之間存在相對運(yùn)動(dòng)，由各相對運(yùn)動(dòng)的物體組成的系統(tǒng)就成為多體系統(tǒng)。組成多體系統(tǒng)的各物體之間會(huì)存在大范圍的相對運(yùn)動(dòng)，他們之間的相互連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和約束類型也是復(fù)雜多樣的。多體動(dòng)力學(xué)主要研究多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和多柔性體系動(dòng)力學(xué)兩個(gè)發(fā)面。經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)均應(yīng)用到機(jī)械制造、車輛和航空航天等工程領(lǐng)域。

多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)起源于上世紀(jì)六十年代，是由Likng 、Roberson等人提出來多敢提系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展而來。多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)第一次研討會(huì)在上世紀(jì)七十年代召開，會(huì)議勝利召開標(biāo)志著多剛體模型的創(chuàng)建方法等已基本獲得。多剛體的內(nèi)容不斷豐富和延伸，逐步發(fā)展稱為“多體動(dòng)力學(xué)”。上世紀(jì)九十年代，隨著科技革命的到來，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到迅猛發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，越來越多軟件的公司開發(fā)研究多體力學(xué)軟件。隨著研究的不斷深入，多體力學(xué)軟件應(yīng)用范圍越來越廣，使用越來越便捷，模塊化程度越來越高。越來越多的工程師在開發(fā)和設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)用這些多體軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化時(shí)，不僅可以使用方便、節(jié)約時(shí)間，而且可以極大降低成本。

中國多體研究起步比西方發(fā)達(dá)國家晚，開始與上世紀(jì)80年代，但是隨著我國科技的發(fā)展，多體動(dòng)力學(xué)研究取得很多新的理論方法和工程應(yīng)用成果。第九屆多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)會(huì)議在武漢召開，會(huì)議研討了多體動(dòng)力學(xué)學(xué)科和航天動(dòng)力學(xué)學(xué)科交叉互動(dòng)，多體動(dòng)力學(xué)開始在航天動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用，進(jìn)一步擴(kuò)展多體動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用范圍。

2.3 高速列車車體強(qiáng)度研究簡介

高速動(dòng)車組的車體強(qiáng)度研究主要是研究高速列車的靜強(qiáng)度分析。世界各國對車體的強(qiáng)度和剛度的標(biāo)準(zhǔn)也不同。吳丹采用不同的國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析高速列車動(dòng)車車體強(qiáng)度，通過對不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，得到了不同的國際標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍和不同標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)缺點(diǎn)。分析高速列車車體強(qiáng)度和車體疲勞損傷，劉輝等人采用了有限元的分析方法獲得車體承受最大應(yīng)力的部位。設(shè)計(jì)高速列車車體結(jié)構(gòu)，趙士忠等人利用有限元分析的方法，通過ANSYS軟件分析計(jì)算在HyperMesh建立的高速列車模型，為設(shè)計(jì)和優(yōu)化動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)提供了極高的參考價(jià)值。通過進(jìn)行載荷試驗(yàn)，KiHwan KIM、Choon PARK得到了高速列車車體疲勞強(qiáng)度只通過靜強(qiáng)度試驗(yàn)分析是不夠的，還需要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。對于檢驗(yàn)高速列車車體設(shè)計(jì)是否合理，張志華等人利用ANSYSA軟件分析計(jì)算合理簡化的高速列車車體的結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的工況對車體結(jié)構(gòu)加載不同的載荷，分析計(jì)算得到車體在不同載荷時(shí)的最大等效力以及車體的變形。車體設(shè)計(jì)是否合理通過比較相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)得出。

3 高速列車車體建模

3.1 有限元法簡介

有限元法是將一個(gè)連續(xù)的整體，劃分為多個(gè)離散的單元，通過計(jì)算分析這些離散單元，然后再將這些離散的單元重新組合代替原來的整體結(jié)構(gòu)，從而得到這個(gè)整體結(jié)構(gòu)的近似數(shù)值解。有限元法相當(dāng)于把一個(gè)復(fù)雜的整體結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)有限單元，減少計(jì)算分析量，并且利用有限元法可有效快速解決物理、工程機(jī)械等領(lǐng)域問題。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助工程系統(tǒng)伴著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅猛發(fā)展，日趨完善并且計(jì)算分析能力越來越強(qiáng)大，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。有限元法是計(jì)算機(jī)輔助工程系統(tǒng)中應(yīng)用領(lǐng)域最廣，計(jì)算功能最強(qiáng)大的方法。并且具有較強(qiáng)的靈活性、適應(yīng)性和適用性。有限元法擁有三個(gè)分析步驟，分別是有限元前處理（有限元建模），有限元分析計(jì)算以及有限元后處理（提取方針結(jié)果并進(jìn)行分析，獲取有效信息）。

3.2 ANSYS軟件簡介

ANSYS功能日趨強(qiáng)大，計(jì)算能力越來越強(qiáng)。目前已成為有限元分析軟件中應(yīng)用最廣泛的軟件。ANSYS軟件可以分析聲場分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、靜力分析和熱分析等類型，具有穩(wěn)定和強(qiáng)大的分析結(jié)構(gòu)。有限元常設(shè)計(jì)的領(lǐng)域有靜力分析、模態(tài)分析和屈曲分析等結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域。利用ANSYS軟件分析分析有限元時(shí)，分析的結(jié)果除了位移值，其余分析的結(jié)果都是節(jié)點(diǎn)位移的派生值。檢車ANSYS軟件分析有限元的結(jié)果是否正確只要檢查位移值是否正確，如果位移值無誤則計(jì)算的結(jié)果無誤。ANSYS軟件分析有限元，可以極大減少設(shè)計(jì)的成本，簡化設(shè)計(jì)步驟，從而減少設(shè)計(jì)的時(shí)間。

3.3 高速列車有限元模型的建立

鋁合金車體具有強(qiáng)度大，質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，我國高速列車車體采用鋁合金車體，鋁合金車體也是高鐵九大關(guān)鍵技術(shù)之一。利用ANSYS軟件分析高速列車題的動(dòng)力學(xué)性能，必須要建立高精度的高速列車車體的有限元模型。由于高速列車的車體是一個(gè)龐大而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，建立與實(shí)際車體完全一致的模型困難度極大，工作量極大，極大增加控制網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)目的困難度，同時(shí)也會(huì)增加軟件的計(jì)算分析工作量，對分析結(jié)果的精確度也會(huì)隨著下降。在處理高速列車這種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，建模時(shí)要適當(dāng)進(jìn)行簡化。但是不能隨意進(jìn)行簡化，簡化的基本原則是保證主要力學(xué)特性，具體的簡化程度與分析目的有關(guān)。分析高速列車車體動(dòng)力學(xué)時(shí)，簡化建模如下：（1）高速列車車體結(jié)構(gòu)簡化；（2）非承載件進(jìn)行省略；（3）對倒角和細(xì)小的進(jìn)行簡化；（4）高速列車車體構(gòu)架表面進(jìn)行光順化。

4 列車動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)分析

4.1 高速列車車輛動(dòng)力學(xué)性能評定

我國地大物博，風(fēng)景秀麗，山川地形復(fù)雜，修建高速鐵道時(shí)不可能修建成水平的線路，總是存在一定的坡度，所以在修建鐵路時(shí)，各國都在想方設(shè)法減少坡度。國外的修建方法是將坡度高的地面挖低，將地勢低洼的地點(diǎn)填平。我國建造方式為架橋，即線路修建為橋隧形式，與國外修建方式相比可以降低修建成本，同時(shí)也可以節(jié)約土地資源。但是由于高速列車自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，高鐵線路存在一定的坡度和彎度，列車在在線路上運(yùn)行時(shí)，由于車輪和線路之間的相互作用力，列車會(huì)產(chǎn)生多種不同的類型的軌道不平順，由于輪對與構(gòu)架通過一次懸掛連接，軌道不平順會(huì)經(jīng)輪對傳遞到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架后通過二次懸掛最終傳遞到車體，引起高速列車車體產(chǎn)生高頻振動(dòng)。組成車體的各部件也會(huì)由于車體的高頻振動(dòng)產(chǎn)生不同形式的振動(dòng)，各零部件間會(huì)產(chǎn)生一定的加速度或者位移。在判定高速列車動(dòng)力學(xué)性能時(shí)，不僅僅考慮軌道和輪對之間的作用力和線路不平順兩點(diǎn)因素以外，還需考慮車體的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)。在研究車體的動(dòng)力學(xué)性能時(shí)，通常把高速列車車體看作剛體。剛體的彈性形變與懸掛系統(tǒng)相比，剛性的彈性形變遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于懸掛系統(tǒng)。GB/T5599-1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》是我國鐵路客車和貨車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析的參照標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)參照標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行高速列車車體的動(dòng)力學(xué)仿真分析時(shí)，主要考慮：（1）機(jī)車車輛發(fā)生蛇行運(yùn)動(dòng)臨界速度；（2）機(jī)車車輛通過曲線時(shí)的性能指標(biāo)；（3）機(jī)車車輛在直線運(yùn)行時(shí)的最大加速度平穩(wěn)性性能指標(biāo)。

4.2 評價(jià)方法

4.2.1 機(jī)車車輛蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性評價(jià)方法

機(jī)車車輛輪對踏面成錐形，機(jī)車車輛在軌道上運(yùn)行時(shí)，輪對踏面與鋼軌存在間隙，輪對中心偶爾出現(xiàn)偏離回到中心時(shí)，機(jī)車車輛輪對便以不同的滾動(dòng)元在軌道上滾動(dòng)，輪對中的一個(gè)輪作橫向擺動(dòng)，另一個(gè)輪對繞其質(zhì)心的垂直軸來回轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生類似蛇形的運(yùn)動(dòng)。機(jī)車車輛在軌道上發(fā)生蛇形運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生蛇形失穩(wěn)的現(xiàn)象。模擬機(jī)車車輛發(fā)生蛇形失穩(wěn)現(xiàn)象時(shí)，可用多自由度整車系統(tǒng)來進(jìn)行模擬。微積分矩陣方程如下：

[M]{x·}+C（x+x·）+K（x，x·）=0

式中[M]質(zhì)量矩陣

C（x+x·）-阻尼力

K（x，x·）-懸掛彈簧力

x-狀態(tài)向量

4.2.2 車輛直線運(yùn)動(dòng)性能評價(jià)方法

旅客乘坐的舒適性是我國高鐵考核的一項(xiàng)重要指標(biāo)。高速列車運(yùn)行的平穩(wěn)性直接影響旅客乘坐的舒適性，列車加速度的大小是影響列車運(yùn)行平穩(wěn)性的重要指標(biāo)。所以，旅客乘坐高速列車的舒適性可以采用加速度來評價(jià)。此外，由于輪軌間的相互作用產(chǎn)生的高頻振動(dòng)經(jīng)轉(zhuǎn)向架傳遞到車體引起車體振動(dòng)，也會(huì)影響旅客乘坐的舒適性，評價(jià)舒適性時(shí)也應(yīng)該考慮車體的振動(dòng)。車體的垂向和橫向平穩(wěn)性是我國評價(jià)列車運(yùn)行的兩大重要指標(biāo)。橫向與垂向的運(yùn)動(dòng)的非線性微分方程如下所示：

[M]{x··}+F（x+x·）=F（t）

式中[M]—質(zhì)量矩陣

F（x+x·）-懸掛力

F（t）-激擾力矢量

x-狀態(tài)向量

4.3 列車動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化研究

利用ANSYS軟件建立高速列車車體仿真模型研究高速列車在直線軌道上行駛時(shí)的垂向和橫向平穩(wěn)性，并且通過仿真實(shí)驗(yàn)不斷優(yōu)化列車的平穩(wěn)性。脫軌系數(shù)、軸重減載率等動(dòng)力學(xué)受高速列車轉(zhuǎn)向架一系、二系懸掛系統(tǒng)影響很小，那么轉(zhuǎn)向架一系、二系懸掛系統(tǒng)的參數(shù)影響著高速列車車體動(dòng)力學(xué)性能的最大指標(biāo)，仿真分析以高速列車轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)進(jìn)試驗(yàn)，并的分析仿真結(jié)果優(yōu)化選擇最優(yōu)參數(shù)。

高速列車輪對與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架通過一系懸掛連接，所以一系懸掛起到垂向、縱向和橫向三個(gè)方向彈性定位的作用。高速列車的車體重量雖然是由轉(zhuǎn)向架承重，但是在垂向方向上轉(zhuǎn)向架剛度不需承擔(dān)車體重量。此外，車鉤的高度是由轉(zhuǎn)向架垂向方向與空氣彈簧共同組合控制。所以在垂向方向上，列車的剛度參數(shù)不需要過多調(diào)整，調(diào)整的參數(shù)不大。列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的影響主要是水平定位剛度，垂向定位剛度相比較水平定位剛度影響程度很小，與列車垂向力有關(guān)。因此。在研究高速列車車體動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化一系懸掛參數(shù)時(shí)，只需考慮橫向懸掛剛度、一系縱向懸掛剛度和軸箱減振器垂向阻尼系數(shù)三個(gè)重要指標(biāo)。在一定是限度范圍內(nèi)，提高列車在直線運(yùn)動(dòng)的特性，一系縱向定位剛度數(shù)值增加即可。但是一系縱向定位剛度數(shù)值增加，不利于列車的曲線通過能力，增大列車通過曲線時(shí)的輪對與鋼軌之間的作用力，增加車輪與鋼軌之間的磨耗，減少車輪和鋼軌的使用壽命。通過試驗(yàn)得到，一系縱向定位剛度選取為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(xiàng)目“基于SIMPACK和ANSYS的輪軌激振對高速列車車體動(dòng)力學(xué)性能研究”（2022KY1408）。

參考文獻(xiàn)：

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