車輛沖擊數(shù)值模擬研究

基金項目： 國家863計劃資助項目（2008AA030706）；國家自然科學(xué)基金資助項目（50821063）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目（SWJTU12CX041）

作者簡介： 孫樹磊（1985-），男，博士研究生，研究方向為機(jī)車車輛設(shè)計及理論， E-mail： shulei85.sun@gmail.com

文章編號： 0258-2724（2013）03-0507-06DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.018

摘要：

為了研究車輛沖擊對車輛運行安全性的影響，依據(jù)緩沖器計算理論，利用Simulink軟件建立了貨車緩沖器動力學(xué)修正模型；根據(jù)車輛系統(tǒng)動力學(xué)理論及車鉤計算模型，利用UM軟件建立了裝用K6轉(zhuǎn)向架的C80貨車完整自由度車輛模型.將上述模型聯(lián)合仿真，實現(xiàn)了車輛沖擊的數(shù)值模擬.計算結(jié)果表明：兩組車之間的沖擊比一輛車與一組車間的沖擊危害更大；車鉤和從板質(zhì)量使車輛產(chǎn)生高頻小幅的車鉤力；懸掛因素導(dǎo)致完整自由度車輛沖擊模型的車鉤力比單自由度車輛沖擊模型小21.7%；車輛在縱向、橫向和垂向存在耦合關(guān)系，輪軌垂向力隨著沖擊質(zhì)量以及重心高度的增加而增大，輪軌橫向力隨著車端縱向壓力的增加和曲線半徑的減小而增大.

關(guān)鍵詞：

緩沖器；車鉤；車輛沖擊；特性曲線；動力學(xué)模型

中圖分類號： U270.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

近年來隨著重載列車的開行，車輛之間的縱向沖擊顯著增大，導(dǎo)致車輛結(jié)構(gòu)破壞和運輸貨物破損現(xiàn)象時有發(fā)生[1-2].車輛沖擊數(shù)值模擬對研究車輛縱向沖擊特性具有重要意義. Simson等利用Vampire軟件對縱向沖擊中心盤處的受力情況進(jìn)行了詳細(xì)分析[3].文獻(xiàn)[4]中利用UM軟件進(jìn)行了沖擊模擬，建立了鉤緩接觸及摩擦模型.文獻(xiàn)[5]中研究了車鉤高度不同的車輛發(fā)生沖擊時的動力學(xué)特性及應(yīng)力分布.文獻(xiàn)[6]中研究了裝配不同性能緩沖器的車輛沖擊時的動力學(xué)性能；文獻(xiàn)[7]中對罐車的沖擊進(jìn)行試驗，以研究沖擊力對罐車裂紋產(chǎn)生造成的影響；國內(nèi)外學(xué)者對縱向沖擊中緩沖器計算模型的研究做了大量的研究工作[8-10]，但對加載卸載間過渡曲線上的能量耗散問題研究較少.

本文基于動力學(xué)理論，建立了緩沖器動力學(xué)修正模型、車鉤動力學(xué)模型以及完整自由度車輛沖擊模型，應(yīng)用上述模型對車輛沖擊進(jìn)行了數(shù)值計算，為新型車輛結(jié)構(gòu)、緩沖器的設(shè)計和車輛沖擊試驗提供理論依據(jù).

1

貨車緩沖器動力學(xué)修正模型

貨車緩沖器對減輕車輛縱向沖動和耗散振動能量起著重要作用，緩沖器計算模型的正確與否將直接影響車輛沖擊仿真過程以及車鉤力大小的評估.

如圖1所示，根據(jù)式（1）～（5），在緩沖器動力學(xué)修正模型中，當(dāng)磁滯力沿著NFM卸載到M時，產(chǎn)生一個與速度相反的阻尼力，其與磁滯力的合力會沿著NGM卸載，即車鉤力的卸載路徑位于磁滯力的下方；同理，當(dāng)磁滯力沿著MFN加載到N時，其阻尼力與磁滯力的合力沿著MEN進(jìn)行加載，車鉤力的加載路徑位于磁滯力的上方.在這種修正模型中，過渡曲線處的加載和卸載形成了NGMEN的順時針耗能環(huán)，使得兩車之間的相對運動得到衰減，不會出現(xiàn)在路徑NFM上往復(fù)振動的情況.

2

單自由度車輛沖擊數(shù)值計算

2.1

單自由度車輛沖擊模型驗證

基于以上修正的緩沖器計算理論，利用MT-2緩沖器的串聯(lián)特性，建立車輛的一對一單自由度沖擊模型，通過分析不同附加阻尼以及不同沖擊速度條件下的動力學(xué)響應(yīng)，驗證緩沖器動力學(xué)修正模型的正確性.此模型中，忽略外力對沖擊作用的影響，車輛簡化為質(zhì)量塊，僅有沿縱向的一個自由度；兩個串聯(lián)的緩沖器特性通過增加行程的方式轉(zhuǎn)換成單一緩沖器的特性.不同附加阻尼條件下的車間作用力特性曲線如圖2所示，不同沖擊速度下的車間作用力特性曲線如圖3所示.

緩沖器特性曲線圍成的回路是緩沖器消耗的能量.從圖2和圖3可以看出，車輛沖擊過程中，緩沖器的磁滯曲線回路從大逐漸變小，表明伴隨著車輛沖擊，緩沖器不斷消耗車輛的動能；加載轉(zhuǎn)為卸載的過渡段時，附加阻尼力位于磁滯力下方，這與緩沖器計算理論中的分析結(jié)果一致，在過渡曲線上亦能消耗能量；附加阻尼力的存在對加載曲線和卸載曲線沒有影響，僅僅對間斷點處的過渡曲線上的車鉤力有影響；隨著沖擊速度的增加，車鉤力也越大，對車輛結(jié)構(gòu)造成的威脅也越大；沖擊速度不同，阻尼力的大小也不同，這說明沖擊速度越大，過渡曲線上的轉(zhuǎn)換速度越大，附加阻尼力也越大.

2.2

不同模式下車輛的沖擊

在車輛沖擊中，存在不同的沖擊模式，即一輛車沖擊一組車，一組車沖擊一組車以及一組車沖擊一輛車.為研究不同編組沖擊下車鉤力的特性，建立了沖擊速度為7 km/h下， 6輛編組車輛在不同模式下的沖擊模型，其車鉤力計算結(jié)果如表1所示.

由表1中可知，最大車鉤力均位于車輛沖擊的交界面處，這是由于沖擊交界面處是兩組車的直接作用面，并且相鄰兩車的相對速度最大，導(dǎo)致緩沖器位移最大；在不同模式的沖擊中， 3輛沖擊3輛的車鉤力最大.因此，在車輛調(diào)車沖擊中，兩組車間的沖擊比一輛車與一組車間的沖擊危害更大.

3

完整自由度車輛沖擊數(shù)值計算

3.1

車鉤計算模型分析

車鉤的作用是實現(xiàn)機(jī)車和車輛或車輛和車輛之間的連掛，并傳遞牽引力及沖擊力[11].建立車鉤模型，能更精確地分析車輛沖擊機(jī)理，研究沖擊過程中車輛的縱向、垂向以及橫向的耦合關(guān)系.車鉤簡化模型如圖4所示.將鉤尾框、前從板及后從板簡化為一個從板，從板相對于車體具有沿著縱向的自由度，從板和車體之間緩沖器相連接，車鉤相對于從板可以在一定的角度內(nèi)做搖頭和點頭的運動.

在車鉤連掛以及車輛沖擊過程中，需要考慮接觸力和摩擦力，因此建立了如圖4和圖5所示的接觸單元.

當(dāng)接觸點與接觸面之間的距離為正時，其接觸力為0；當(dāng)距離為負(fù)時，接觸力分解為沿著接觸面法線方向的正壓力以及位于接觸平面內(nèi)的摩擦力，其接觸力算法與文獻(xiàn)[4]相同.

通過定義一對雙向接觸面，實現(xiàn)車輛沖擊過程中的車鉤連掛模擬.由兩個具有一定距離的單向接觸平面共同組成一對雙向接觸面，其距離為車鉤間隙，如圖5所示.圖5中， n為接觸面的法向量，接觸面位于車鉤1上，接觸點位于車鉤2上.當(dāng)接觸點在兩接觸面以內(nèi)和以外時，即沒有與接觸面相接觸，其接觸力為0，如圖中接觸點1和接觸點2所在的位置；當(dāng)接觸點與任意接觸平面接觸時，會產(chǎn)生單向接觸力，如圖中接觸點3和接觸點4所在的位置，只能產(chǎn)生沿圖中所示方向的單向接觸壓力，若從另一個方向上接觸時，其接觸力為0.當(dāng)兩車連掛之后，利用止檔力元，限制兩車鉤之間的轉(zhuǎn)動以及橫向的錯動，僅使其在垂向的一定范圍內(nèi)移動.

3.2

完整自由度車輛沖擊模型及仿真流程

根據(jù)多體動力學(xué)理論，結(jié)合車鉤計算模型，基于UM軟件，建立兩輛裝用ZK6的C80貨車系統(tǒng)動力學(xué)完整模型.根據(jù)緩沖器計算修正模型，利用Simulink編制貨車緩沖器動力學(xué)程序，結(jié)合UM軟件中建立的兩輛貨車完整自由度模型，通過UM與Simulink的聯(lián)合仿真，實現(xiàn)車輛沖擊的數(shù)值計算，如圖6所示.

3.3

結(jié)果及討論

根據(jù)以上計算模型和仿真流程，對兩輛完整自由度車輛進(jìn)行一對一的沖擊計算，沖擊連掛過程中，沖擊車以及被沖擊車的速度變化如圖7所示.緩沖器特性曲線如圖8所示.對于兩組車之間的沖擊或者一組車與一輛車的沖擊模型，若全部建立完整自由度模型，其自由度數(shù)量會非常龐大，因此可采用單自由度車輛沖擊模型計算車鉤力，繼而將車鉤力轉(zhuǎn)化為車端縱向壓力的方法，施加于兩完整自由度車輛的外端.

由圖7和圖8可見，車輛在沖擊連掛過程中，沖擊車與被沖擊車的速度交替變化，并逐漸趨于一致.這說明設(shè)置的雙向接觸面較好的模擬了連掛過程中的接觸問題.隨著時間的變化，車鉤力沿著緩沖器的特性曲線較快地衰減，兩車相對位移為0附近，車輛產(chǎn)生了高頻小幅的車鉤力.這是因為在沖擊過程中考慮了車鉤及從板的質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量等因素，因其質(zhì)量較小，當(dāng)兩車鉤處于車鉤間隙內(nèi)時，車鉤及從板相對于車體沿著縱向仍在高頻振動，但由于其幅值在緩沖器初壓力范圍之內(nèi)，而不是在加載或卸載曲線上，因此沒有得到快速的衰減.完整自由度車輛沖擊模型中車鉤力要比單自由度車輛沖擊模型小21.7%，這是由于完整自由度車輛沖擊模型中考慮了車輛懸掛，從而將整車分離開，懸掛之上的質(zhì)量要小于單自由度車輛，并且懸掛的縱向剛度對車鉤力也有一定的影響.

沖擊過程中車輛在縱向、橫向和垂向存在著耦合關(guān)系.在研究縱向力與垂向力的耦合關(guān)系時，分別計算了重車沖擊重車、重車沖擊空車以及空車沖擊空車3種工況的垂向力，車輪的最大垂向增載量如圖9所示.

由圖9可見，車輛在沖擊過程中產(chǎn)生了明顯的點頭運動，使車輛的沖擊端增載；重車之間的沖擊要比空車之間的沖擊產(chǎn)生的垂向力大很多，一方面是因為重車質(zhì)量大于空車，另一方面是由于重車的重心高度遠(yuǎn)高于車鉤高，較容易產(chǎn)生附加力矩，而空車的重心高度與車鉤高度較為接近，沖擊時不易產(chǎn)生點頭運動.

在研究縱向力與橫向力的耦合關(guān)系時，利用單自由度列車模型計算車輛縱向沖擊中產(chǎn)生的車鉤力，轉(zhuǎn)化為兩車外側(cè)的縱向壓力，并讓其通過曲線，從而研究車輛在曲線通過時縱向力對橫向力的影響，曲線計算條件與文獻(xiàn)[12]中的線路工況一致.最大輪軌橫向力與車端壓力、曲線半徑的關(guān)系如圖10所示.

由圖10可見，隨著車端縱向壓力的增加和曲線半徑的減小，輪軌橫向力逐漸增大，導(dǎo)致車輛脫軌的可能性亦逐漸增大.因此，小半徑曲線上較大的縱向沖擊對車輛安全性具有重大的影響.

4

結(jié)束語

（1） 基于緩沖器計算理論和貨車緩沖器動力學(xué)修正模型，解決了緩沖器過渡曲線處的能量耗散問題，從而避免了過渡曲線上的往復(fù)振動；車輛調(diào)車沖擊中，兩組車間的沖擊比一輛車與一組車間的沖擊危害更大.

（2） 依據(jù)多體動力學(xué)理論，結(jié)合車鉤計算模型和緩沖器動力學(xué)修正模型，對兩輛裝用ZK6的C80貨車完整自由度車輛進(jìn)行了沖擊模擬計算，由于考慮了車鉤及從板的質(zhì)量等因素，當(dāng)車鉤處于連掛間隙范圍內(nèi)時，車鉤力會沿著縱向高頻小幅變化；由于懸掛因素的存在，完整自由度車輛沖擊模型的車鉤力小于單自由度車輛沖擊模型.

（3） 車輛沖擊過程中存在縱向、橫向和垂向耦合作用，輪軌垂向力隨著沖擊質(zhì)量以及重心高度的增加而增大，輪軌橫向力隨著車端縱向壓力的增加和曲線半徑的減小而增大.因此，在研究列車系統(tǒng)動力學(xué)時需要考慮縱向力對輪軌橫向力和輪軌垂向力的影響，以提高分析精度.

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