基于UM的高速客車—橋耦合動力學仿真分析

馬永福 馬小梅

摘 要：利用UM建立CRH2型車多剛體動力學模型，通過有限元分析軟件ANSYS建立橋梁的參數化模型，并對橋梁進行柔性化處理，通過接口模塊UM_ANSYS將橋梁有限元模型導入UM。仿真分析了在不同速度下車輛通過橋梁時，橋梁的振動特性以及車輛脫軌系數、輪重減載率等動力學性能；

關鍵詞：UM；車-橋耦合；分析

中圖分類號：U270.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）27-0022-02

Abstract： The multi-rigid-body dynamics model of CRH2 vehicle is established by UM， the parameterized model of bridge is established by finite element analysis software ANSYS， and the bridge is treated by flexibility. The finite element model of bridge is imported into UM by interface module UM_ANSYS. The vibration characteristics of the bridge， the vehicle derailment coefficient and the wheel load reduction ratio are simulated and analyzed when the vehicle passes the bridge at different speeds.

Keywords： UM； vehicle-bridge coupling； analysis

車橋耦合振動以工程振動理論為基礎，它主要分析力學特別是動力學和計算力學。研究車橋耦合，試驗和理論都是不可缺少的手段[1]。隨著高速鐵路的發展，列車運行速度大幅度提高，各種動力作用急劇上升，車橋振動響應加強。由于列車與軌道相互作用，列車運行激起各車輛及軌道的復雜振動，實踐證明，在不利條件下，車橋振動可能引起翻車、車輪脫軌、貨物破壞、司機旅客不適應等現象，因此，對列車與橋梁相互作用的耦合系統進行空間振動分析，找出引發這些現象的條件，保證列車安全正常運行，就成為我國高速鐵路建設中需著重研究的主要課題[2]。

本文以國內的CRH2型車為研究對象，以車輛動力學，橋梁動力學以及有限元建模技術等為基礎，并且以輪軌幾何關系、輪軌之間的作用力作為聯系紐帶，將CRH2型車與橋梁作為一個大系統，分析車橋耦合動力學特性，對車橋耦合動力學行為進行預測分析。

1 橋梁振動特性分析

國產CRH2型高速客車主要大部件有：輪對、構架、車體，輪對與構架之間通過一系懸掛連接，構架和車體通過二系懸掛連接。其中一系懸掛主要有一系垂向減振器和剛彈簧，二系懸掛主要有二系橫向減振器、二系垂向減振器、空氣彈簧及抗蛇形減振器。將該車輛系統的彈簧和阻尼看做無質量的力元，多剛體模型具有15個剛體，分別是4個輪對、8個轉臂軸箱、2個構架、1個車體。本文中將4個輪對全考慮成彈性體。

當車輛通過橋梁時，由于受到各種內外界因素的影響，其分析通常較為復雜，涉及車輛的速度和加速度。車輛長度以及車輛載重等諸多因素。橋梁自身的一些結構特征也對其影響，如橋梁類型、橋梁整體剛度、阻尼、橋梁跨度和橋梁長度。當橋梁振動過大時會影響軌道、道砟和道床的變形影響列車的平順性，增大軌道養護維修的難度，振動達到橋梁共振時會導致橋梁的破壞，降低橋梁的抗疲勞強度等，影響列車在橋上行駛時的安全性和穩定性[3]。

以速度為工況，分析在不同速度下橋梁的橫向加速度和垂向加速度的變化，如圖1和圖2所示。

當速度為180km/h時，橋梁橫向加速度達到最大值，而相比于橋梁垂向加速度，其在180km/h的值較小。

2 脫軌系數分析

車輛運行過程中，由于激勵和慣性產生輪軌側向力，使輪對產生了一種沿著軌頭向上爬的趨勢，同時由于輪對重力等力的同時作用，最終達到一種想滑而滑不下來的平衡狀態。如果產生的過大側向力，會打破這種平衡，輪重力、摩擦力不能平衡側向上滑力，最終輪軌分離導致脫軌[4]。

以速度為工況，分析在不同速度下脫軌系數的變化，如圖3所示。可以看出，隨著速度的增大，脫軌系數也逐漸增大，當速度為200km/h時，脫軌系數達到0.25。

3 輪重減載率分析

輪重減載率和脫軌系數都為車輛脫軌的評價標準，而輪重減載率是在輪軌橫向力作用很小的情況下，發生的脫軌[5-6]。

以速度為工況，分析在不同速度下輪重減載率的變化，如圖4所示。從圖中看出，隨著速度的增加，輪重減載率也隨之增加。

4 結束語

基于多體系統動力學理論，利用UM建立CRH2型車多剛體動力學模型；通過有限元分析軟件ANSYS建立橋梁的參數化模型，并對橋梁進行柔性化處理，通過接口模塊UM_ANSYS將橋梁有限元模型導入UM。仿真分析了車橋振動特性、該型車的脫軌系數、輪重減載率等動力學性能，得出車輛模型在各個方面都處于優良狀態。

參考文獻：

[1]丁兆峰.高速鐵路車-橋耦合振動分析[D].蘭州交通大學，2011.

[2]崔圣愛.基于多體系統動力學和有限元法的車橋耦合振動精細化仿真研究[D].西南交通大學，2009.

[3]李灃.基于MATLAB的車橋耦合動力學分析[D].華中科技大學，2015.

[4]鄧朋儒.基于多體動力學的鐵路斜拉橋車-橋耦合分析及疲勞損傷評估[D].中南大學，2014.

[5]J Arnold，Kaiser J，Schupp G.Simulation of a railway vehicle's running behavior：How elastic wheelsets influence the simulation results.Vehicle System Dynanics Supplement.2004，41：242-251.

[6]J Arnold.Using multibody dynamics for the simulation of flexible blads.35th ERF， Hamburg， Germany，2009.