不同車輪踏面在車橋耦合振動中的比較*

吳宇鵬 劉林芽

(華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心,330013,南昌//第一作者,碩士研究生)

不同車輪踏面在車橋耦合振動中的比較*

吳宇鵬 劉林芽

(華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心,330013,南昌//第一作者,碩士研究生)

結合工程實例建立了64 m鋼桁梁鐵路橋模型。利用多體動力學軟件SIMPACK和有限元軟件ANSYS進行聯合仿真,并考慮LM型和LMA型兩種不同的踏面對車橋耦合系統的動力響應的影響。基于車輛走行性評價指標評價車輛運行性能，檢算該橋是否具有足夠的橫向、豎向剛度及良好的運營平穩性等。研究結果表明,在相同的速度下,使用LM型踏面比LMA型踏面的車橋耦合系統的動力響應要大,尤其是在橫向方面,如橋梁橫向位移、橫向輪軌力、車體橫向加速度等;隨著速度的增大,使用LMA型踏面比使用LM型踏面在減小車橋耦合動力響應方面效果更好,有利于提升車輛的舒適性和橋梁的安全性。

高速鐵路; 車輪踏面; 車橋耦合振動

Author′s address Engineering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise,Ministry of Education,East China Jiaotong University,330013,Nanchang,China

近幾年,我國高速鐵路發展迅速,車橋耦合振動領域受到越來越多的學者關注。不同車輪踏面的輪軌接觸關系,因不同的輪軌動力特性從而影響車橋耦合系統。文獻[1-3]討論了不同輪對踏面與軌道的接觸對車輛行駛性能的影響。以往主要采用簡化模型[4]和推導公式自編程序求解車橋耦合系統,其難度較大[5]。本文利用多體動力學軟件SIMPACK和有限元軟件ANSYS進行精細化的聯合仿真,比以往提高了計算效率和降低了難度,計算車輛在不同踏面情況下車橋耦合系統的振動并進行比較。

1 車橋耦合系統模型的建立

1.1 橋梁模型的建立

目前,在車橋耦合分析中,普遍釆用模態坐標法和有限元法來建立橋梁的動力學方程。車橋時變系統的剛度矩陣、阻尼矩陣、質量矩陣隨列車在橋上運動變化稱為耦合振動[6]。在進行ANSYS建模時,針對橋梁結構的特點,將橋梁簡化成梁單元、板單元或實體單元等。本文結合工程實例采用64 m雙線下承式鋼桁架橋,其主桁間距為10 m,桁高11 m,材料為工字鋼,考慮橋梁的一期恒載。在ANSYS軟件中采用空間梁單元進行建模簡化,如圖1所示。

1.2 車輛模型的建立

列車系統的多體動力學模型通過鉸接、剛體、力元、約束以及輪軌接觸模型等來形成一系列的動力學方程[7]。一節車輛可認為由1個車體、2個構架、4個輪對等7個剛體組成,連接這些剛體的部件可分為一系彈簧、二系彈簧、橫向減振器、豎向減振器,抗蛇行減振器、抗側滾扭桿、牽引拉桿,橫向止擋等[8]。

圖1 64 m鋼桁架鐵路橋簡化建模

本文車輛以國內某客車的參數為基礎并做了一定的簡化,每個剛體考慮伸縮、橫擺、浮沉、點頭、側滾、搖頭6個自由度。由于輪對左右各有一個約束,所以車輛共有34個自由度。由于只考慮踏面的影響,建立一節車輛過橋時的模型進行仿真試驗。車輛模型及拓撲圖形如圖2、圖3所示。

圖2 車輛模型

圖3 車輛拓撲圖

1.3 ANSYS和SIMPACK軟件的數據交互

將ANSYS軟件的橋梁模型導入SIMPACK軟件中進行車橋耦合計算。在SIMPACK軟件中進行剛柔耦合的計算方法有兩種[9-10]。方法一把整個橋梁看成一個柔性體,車輛看成一個剛體進行車橋耦合計算。該方法可根據需要定義橋梁的形式,可自己定義輸出點方便后處理。方法二用SIMPACK軟件中已有的柔性軌道接口,將整個橋梁作為車輛的下部結構直接讀入到SIMPACK軟件的彈性軌道的求解器中和車輛模型共同求解。該方法對橋梁的建模有一定的要求。本文采用方法二進行車橋耦合,因為其前處理工作量比方法一要小而且求解效率快。方法一更適合對柔性輪對和柔性車體的計算。方法二步驟如圖4所示。車橋耦合模型如圖5所示。

圖4 方法二步驟

圖5 車橋耦合模型

1.4 車輪踏面文件的生成

本文考慮LM型和LMA型兩種車輪踏面。由于SIMPACK軟件中沒有這兩種踏面的資料,故踏面外形參考TB/T 449—2003《機車車輛車輪輪緣踏面外形》[11]在CAD(計算機輔助設計)中進行繪制,然后進行相關導入操作,最后生成輪軌接觸模型。圖6、圖7分別為LMA型和LM型踏面的輪軌接觸幾何關系。

圖6 LMA型踏面的輪軌接觸幾何關系

2 不同車輪踏面對車橋耦合系統的計算結果分析

通過ANSYS和SIMPACK軟件進行聯合仿真分析,模型按1:1比例導入SIMPACK軟件中(即在建模時要和車輛的單位一致),積分步長取0.01 s。選擇德國低干擾譜作為軌道不平順譜,選取單車以

圖7 LM型踏面的輪軌接觸幾何關系

240 km/h、180 km/h、120 km/h三種不同速度通過橋梁時在不同踏面情況下的振動響應進行分析。240 km/h時車輛和橋梁的響應如圖8～圖17所示。坐標系的選取為車輛前進方向為x正向,重力方向為z正向,y方向滿足右手法則。LM型和LMA型踏面在三種車速下的橋梁和車輛動力響應見表1、表2。

由圖8～圖17可以看出,在同一速度下,不同踏面對橋梁和車輛的豎向振動響應沒有較大差別;使用LM型踏面時橋梁的橫向位移和加速度比使用LMA型踏面稍大一點,但在車輛的橫向動力方面,使用LM型踏面車輛的橫向輪軌力和橫向加速度增大比LMA型踏面更為明顯。從表1和表2可以看出,隨著速度的提升,LM型踏面比LMA型踏面對橋梁和車輛的動力響應增大更為明顯。綜合考慮《鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》[12]、《鐵路橋梁鑒定規范》和《鐵路橋涵設計基本規范》[13]中的要求,由表1和表2可得,無論是橋梁和車輛的相關性能均滿足規范要求,但隨著速度的增加,LMA型踏面比LM型踏面對車橋系統動力響應要小。

圖8 橋梁跨中豎向位移

3 結論

本文使用多體動力學軟件和有限元軟件進行聯合仿真,利用各自的建模優勢進行結合,提高了模型的建模和計算效率；且比單純用有限元計算成本低,用時少,可視效果好,能更加形象地表現車橋耦合模型。

圖10 橋梁跨中豎向加速度

圖11 橋梁跨中橫向加速度

圖12 輪軌豎向力

通過對比LM型踏面和LMA型踏面過橋時的車輛和橋梁動力響應可以看出，無論哪一種踏面都符合國家對列車和橋梁的標準規范,但隨著速度的提高，使用LM型踏面比使用LMA型踏面對車橋耦合系統的動力響應要大,尤其是在車體橫向加速度和橫向輪軌力方面。綜合上述情況可以得出，在速度越高的情況下，使用LMA型踏面比LM型踏面可降低車橋耦合系統的動力響應，使得橋梁和車輛的安全性得以提升。這說明LMA型踏面可更好地滿足高速車輛輪軌型面的匹配。

圖13 輪軸橫向力

圖14 車體豎向加速度

圖15 車體橫向加速度

圖16 車輛脫軌系數

圖17 輪重減載率

表1 不同輪軌踏面過橋時橋梁最大動力響應

表2 不同輪軌踏面過橋時車輛最大動力響應

[1] 梁樹林,樸明偉,張祥杰,等.高速車輛橫向穩定性的非線性影響因素研究[J].鐵道學報,2009,31(5):23.

[2] 王開云,翟婉明,蔡成標.輪軌型面及系統參數對輪軌空間接觸幾何關系的影響[J].鐵道車輛,2002,40(2):14.

[3] 麥國耀,戴煥云.輪軌匹配對高速列車動力學性能的影響[J].計算機輔助工程,2013,22(6):37.

[4] 黃曉彬,高丕勤.板桁組合橋梁車橋動力分析模型的等效簡化方法[J].城市軌道交通研究,2012(4):28.

[5] 李小珍,強士中.大跨度公鐵兩用斜拉橋車橋動力分析[J].振動與沖擊,2003,22(1):6.

[6] 翟婉明,夏禾.列車-軌道-橋梁動力相互作用理論與工程應用[M].北京:科學出版社,2011.

[7] 繆炳榮,張衛華,肖守訥,等.基于多體動力學和有限元法的車體結構疲勞壽命仿真[J].鐵道學報,2007,29(4):38.

[8] 嚴雋耄,傅茂海.車輛工程[M].北京:中國鐵道出版社,2008.

[9] 崔圣愛,祝兵,黃志堂.不同輪軌接觸模型在車橋耦合振動中的比較[J].應用力學學報,2010,27(1):63.

[10] 朱偉,戚鐵,賈亮.基于simpack的鋼桁梁斜拉橋車-橋系統動力性能分析[J].鐵道標準設計,2014,58(7):89.

[11] 中華人民共和國鐵道部.機車車輛車輪輪緣踏面外形:TB/T 449—2003[S].北京:中國鐵道出版社,2003.

[12] 中華人民共和國鐵道部.鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準:TB/T 2306—1993[S].北京:中國鐵道出版社,1993.

[13] 中華人民共和國鐵道部.鐵路橋涵設計基本規范:TB10002D1—2005[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

Comparative Analysis of Different Wheel Treads in Vehicle and Bridge Coupled Vibration

WU Yupeng, LIU Linya

Combined with practical engineering, a model of 64m truss girder bridge is established. Then, the multi-body dynamics software SIMPACK and finite element software ANSYS are used to conduct a co-simulation, the effect of different wheel treads, like LM and LMA on dynamic response of vehicle bridge coupling system is studied. Based on the vehicle running safety evaluation index, the vehicle performance is evaluated, in order to confirm whether the bridge has good lateral and vertical stiffness, and good operation stability. The research results show that using LM wheel tread is better than LMA in amplifying the dynamic response of vehicle and bridge coupling system, especially on the lateral aspect, such as the transverse displacement of bridge, the lateral wheel rail force, the lateral acceleration of the vehicle body and so on. With the increase of train speed, the LMA tread has better performance than LM tread in reducing the dynamic response of vehicle and bridge coupling, it is conducive to enhance the comfort of the vehicle and the safety of the bridge.

high-speed railway; wheel tread; vehicle and bridge coupling vibration

*國家自然科學基金項目(51268014);江西省“贛鄱英才555工程”領軍人才培養計劃項目

U270.1+1; U 270.331+.1

10.16037/j.1007-869x.2017.01.018

2015-03-27)