强侧风作用下带制动风翼板高速列车周围流场结构分析

基于三维定常不可压的黏性流场N-S及k-ε双方程模型,采用计算流体动力学方法对不同风向角强侧风作用下带制动风翼板高速列车及风翼板表面时均压力分布规律、周围时均流动结构及瞬态流动结构等气动效应进行了数值模拟.初步研究结果表明：强侧风影响下,列车外围流场结构复杂多变,随着风向角在0°～180°内逐渐增大,头车首排制动风翼板前后形成的高压区和低压区、头车司机室上方形成的低压区、尾车司机室与车身连接处形成的低压区及车顶形成的低压区影响范围呈先扩大后逐渐缩小的变化趋势;同时随着风向角的逐渐增大,列车头车和尾车鼻尖处形成的高压区域影响范围逐渐变小、减弱.     

空气动力制动制动风翼纵向位置制动力规律

分析了全列车均装制动风翼时,不同纵向位置处制动风翼周围流场特性,数值计算得到迎风面第1块制动风翼产生的制动力最大,其余制动风翼产生的制动力逐渐减小,且减小幅度逐渐减慢的制动力规律.结合某高速列车车型,考虑减少受电弓影响,分析受电弓车辆不装制动风翼时,纵向位置各制动风翼产生制动力规律,并同每辆车均安装制动风翼时制动力规律进行对比.最后,对空气动力制动产生制动力效果进行了分析.     

利用气液协调控制的车辆稳定性控制系统设计

针对高速工况下轮胎易饱和并导致车辆失稳的问题,提出基于主动气动控制与液压差动制动控制相协调的车辆稳定性控制方法. 在车辆顶部安装一对主动风翼板并分析其气动特性,通过独立控制两风翼板的攻角以主动控制车辆所受的气动力/力矩. 控制器采用分层控制架构,顶层根据车辆运动状态和道路附着情况计算期望横摆角速度,中层采用模糊控制算法实时计算实现车辆稳定性控制所需的辅助横摆力矩,底层则协调主动气动控制和差动制动控制产生辅助横摆力矩. 在Casim/Simulink 联合仿真平台上对所提方法进行仿真验证,结果表明,该方法能使车辆的动力学响应较好地跟踪期望值,且能降低轮胎工作负荷,达到避免车辆失稳的目的.     

某型号高速列车M车的振动舒适性分析

研究了如何在高速列车设计阶段预测机车振动舒适特性.首先采用ANSYS建立某型号高速列车M车的有限元模型,在MATLAB中采用频域法对功率谱密度进行处理;然后以轨道水平不平顺为例进行瞬态分析模拟出高速列车在运行时的整车响应,采集地板上某些节点加速度响应数据,进行相关处理后得出了M车对应的舒适度和平稳性指标.这种方法使理论设计阶段进行有效地评价高速列车在不同运行工况下的振动特性和旅客乘坐舒适性成为可能     

定常横风作用下高速列车的安全性分析

基于空气动力学理论,建立高速列车空气动力学模型,计算不同运行速度下高速列车在明线运行和明线横风场景下的气动力荷载。同时采用多体系统动力学理论,建立车辆多体动力学仿真模型。将气动荷载导入车辆仿真模型,计算在无横风和有横风条件下,列车以不同速度行驶时的车辆动力学响应及其安全性指标。获得在无横风和有横风条件下高速列车运行安全性随速度的变化规律。研究结果表明,横风作用将对列车的安全运行构成极大的威胁。参照有关高速列车运行安全性评定标准,给出15 m/s横风风速下高速列车安全运行的速度限值。     

基于实车试验的高速列车隧道压力波影响因素

搭建列车空气动力学在线实车高精测试平台,对列车通过隧道及隧道交会工况下的压力波特性进行实车测试;探究运行速度、隧道长度、阻塞比、编组长度、交会位置等因素对隧道压力波的影响规律;根据隧道内压缩波、膨胀波在隧道内传播、反射、叠加的原理,推导出隧道通过及隧道交会工况下,最不利单线隧道长度、最不利双线隧道长度、最不利交会位置、最不利编组长度等计算公式。研究结果表明:车体表面压力变化幅值与列车速度的平方成正比;车内压力幅值与列车速度的n次方成正比,n的范围为1.3~1.8,n随着隧道长度的变化而变化;研究结果可为高速列车在隧道内运行时的安全性指标提供了压力波评判依据。     

半挂汽车列车高速行驶转弯制动特性分析

建立了半挂汽车列车１２刚体２５自由度的力学模型,应用多体系统动力学中的Ｋａｎｅ方法列写了非线性运动微分方程,编制了半挂汽车列车操纵稳定性和制动特性的通用仿真程序,对半挂汽车列画在高速下无制动转弯,直线制动特性进行了仿真计算。结果表明,高速工况下,发生折叠现象的前轮转向角比低速工况要小;当在牵引车后车轮加制动力时,半挂汽车列车简易出现折叠现象。     

制动工况关门车位置对全列空车安全性影响

在既有线货物列车提速背景下,为研究关门车(关闭制动支管截断塞门从而不起制动作用的车辆)编组位置对全空货物列车安全性的影响,根据车辆系统动力学理论和车辆-轨道耦合动力学理论,建立了列车-轨道耦合系统动力学模型,分析了制动初速从80 km/h提到90 km/h时,关门车编组在全空货物列车的前、中、后三部分时,货物列车的轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率等安全性指标,并与无关门车时的动力学安全性指标进行了对比,结果表明:在常用制动工况下列车中有无关门车时,安全性相差不大,且均满足《机车车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》(GB/T 5599—2019)标准要求;关门车的安全性能与正常车辆相比,差异不明显;关门车位于列车头部时,轮轴横向力和脱轨系数略大于位于其他部位时的情况;关门车位于列车中部、后部时,动力学性能相差不大.     

高速列车蛇行运动分岔类型及评价方法研究

主要研究高速列车超临界和亚临界分岔蛇行运动的基本特征和评价方法.首先考虑不同轨道激励对蛇行运行分岔图的影响，并且提出一种在轨道激励的基础上增加横向脉冲的方法，然后根据极限环波幅、构架横向加速度均方根值及轮轴横向力均方根值分别对高速列车蛇行运动稳定性进行对比.针对不同高速列车进行极限环失稳后的安全性评估，分析高速列车蛇行失稳的脱轨安全性.另外，对于具有磨耗型车轮踏面的车辆，也对其蛇行运动稳定性和运行安全性评估进行了探讨.最后，在滚动振动试验台上进行了稳定性测试，比较了不同蛇行运动稳定性评价方法并验证了仿真结果.     

不同路况侧风对高速列车运行安全性影响研究

建立了高架线和路堤两种不同路况下侧风作用于列车的空气动力学模型,并进行数值计算,得到了不同侧风速和不同运行速度下列车周围压强分布及列车的气动载荷特性;同时利用SIMPACK建立高速列车动力学模型,将分析得到的气动载荷施加到动力学模型上,计算列车运行的动力学特性,研究侧风对列车运行安全性的影响;参照高速列车运行安全性相关限定指标,计算了高速动车组侧风环境下的安全行车速度。     

收缩徐变对高速列车-轨道-桥梁系统动态特性的影响

收缩徐变效应在高速铁路混凝土桥梁的施工和建造过程中是不可避免的,其会引起桥梁的变形,诱发高速列车运行安全平稳性受到影响。针对该问题,首先选取中国高速铁路中大量采用的32 m简支箱梁桥结构,考虑结构配筋及施工步骤,建立有限元模型,采用JTG2012标准中的收缩徐变模型,分析收缩徐变引起的桥面变形。在此基础上,基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,将收缩徐变导致的桥面变形视为边界条件,建立考虑收缩徐变的高速列车-轨道-桥梁耦合动力学模型。最后,借助该模型,研究收缩徐变效应对高速列车乘坐舒适性和运行安全性的影响规律。研究结果表明:收缩徐变效应主要影响高速列车的动态特性,而对轨道和桥梁结构的动力学行为影响较小;在收缩徐变效应下,高速列车运行安全性和乘坐舒适性可以得到保证。     

针对高速列车头车外形设计的风洞侧风试验模型选取方法

为了给高速列车风洞侧风试验的模型选取提供更多的参考依据,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对不同模型以200km/h速度运行时,在不同侧向风速下的气动力和流场结构进行分析.结果表明:相同侧向风速下,不同的高速列车缩比模型对头车的气动力系数影响不大,可以采用更短编组长度的高速列车模型即1.2车模型(头车+0.2节尾车)代替3车联挂模型对头车的气动特性进行风洞试验研究;考虑到尾车结构对头车末端区域的流场结构和压力分布的影响,高速列车风洞侧风试验中,不建议采用更短编组方式的模型.     

龙卷风作用下大跨度桥梁车-轨-桥耦合振动及行车安全性

为研究龙卷风作用下大跨度桥梁车-轨-桥系统动力响应及行车安全性,首先以Kou-wen三维模型模拟龙卷风速度场,基于准定常理论确定了移动龙卷风作用下车辆和桥梁风荷载时程. 然后,分别采用多体系统动力学和有限元理论建立列车和轨道-桥梁子系统动力方程,基于轮轨空间非线性接触建立风-车-轨-桥系统动力方程,并采用分离迭代法求解系统动力响应. 数值算例中,以某公路铁路两用斜拉桥为研究对象,通过风洞试验和CFD数值模拟确定车辆和桥梁气动力系数,分析了龙卷风移动路径、强度等级和行车速度对车-桥系统动力响应及列车行车安全性的影响. 结果表明：桥梁竖向振动响应比横向显著,且龙卷风竖向风速对桥梁竖向位移起控制作用 . 当车辆经过风荷载最大位置时,车辆的横向和竖向振动响应均达到最大值,且车辆动力响应受龙卷风荷载和桥梁动力响应共同影响. EF1级和EF1.3级龙卷风作用下,列车安全通过的车速阈值分别为180 km/h和114 km/h.     

高速列车受电弓气动噪声数值模拟

受电弓作为高速列车主要噪声源之一,是一个包含许多部件的复杂结构。为研究受电弓气动噪声的主要噪声源以及远场气动噪声特性,基于计算流体力学开源软件OpenFOAM,采用大涡模拟结合K-FWH方程的联合方法,探究受电弓在250 km/h、300 km/h和350 km/h等不同速度下运行时的流场及气动噪声特性。通过模拟受电弓在不同速度以及不同开口状态下的运动,得到受电弓的频谱特性以及噪声源分布规律。结果表明,高速列车受电弓引发的远场气动噪声主要是低频和中频噪声,并且噪声频谱具有明显的主频。而远场噪声指向性方面,受电弓产生气动噪声具有偶极子特性,噪声主要向尾流斜上方传播。受电弓不同开口方向,所诱发的噪声声压级并不相同,闭口状态诱发的声压级更大。研究结果能为日后降低高速列车受电弓气动噪声的研究以及工程降噪问题提供理论参考。     

特大型电动轮矿用自卸车联合制动特性研究

为了研究特大型电动轮矿用自卸车下坡联合制动时的制动特性,分析联合制动时电阻栅能耗制动及液压多片湿盘式制动器制动功率的分配,以湘电重装满载整车重量达520t的自卸车为研究对象,建立了自卸车电阻栅能耗制动及液压多片湿盘式制动器联合制动系统动力学模型,利用Mtlab/simulink对该自卸车在不同下坡坡道上的紧急联合制动进行了数值分析计算,获得制动特性曲线.结果表明:初速度为30 km/h时,在不高于10％的坡度下紧急制动距离不超过21 m;平均比制动力在不同坡道基本保持不变,最高值为0.35左右;后轮比制动力大于前轮比制动力,侧滑、跑偏的可能性大于转向失控的可能性;当满载重心向后轴移动时,平均比制动力保持不变,前后轮比制动力差距减小,可有效利用地面粘着力;电阻栅能耗制动与液压多片湿盘式制动器的平均制动功率之比约为2:3.研究表明该联合制动系统可有效减轻主制动器负荷,提高制动效能,延长主制动器使用寿命.     

用于被动力觉再现的磁流变液制动器

为解决主动力觉驱动器的安全性、稳定性差等问题,研制了一种用于被动力觉再现的新型制动器.该制动器包括一个内置多个旋转盘的壳体,转子与壳体的间隙充满磁流变液.在磁场作用下当磁流变液粘度变大时,旋转盘相对于壳体将受制动力矩作用.建立了制动器的动力学模型,分析了制动器输出力的约束条件,通过研究转子转速反馈算法和输出力矩反馈算法建立制动器的简化逆动力学模型.虚拟力觉再现实验结果显示:制动器输出力的动态变化系数大于20,能够高保真地实现肌体组织的柔顺性再现和硬物的刚性再现.     

盘式制动器刹车片钢背结构对制动噪声影响研究

通过改变刹车片钢背形状方法来研究汽车制动噪声,主要分为2阶段:1)通过建立实体和运动学模型进行分析和仿真研究; 2)采用声振实验进行验证.在声振实验过程中,采取激光测振仪以及LMS冲击锤2个实验,同仿真分析结果交叉对比以证明仿真分析的准确性; 采用3层结构的刹车片,相比传统的2层结构刹车片,该刹车片在不改变制动强度、保证安全系数的基础上具有更好的阻尼特性,有效地抑制噪声的发生.根据制动器噪声台架试验的结果,确定了刹车片固有频率对制动器噪声的贡献,并在此基础上,设计了不同结构形状的钢背刹车片来改变刹车片固有频率,利用ANSYS进行模态分析并制作样品进行噪声实验.仿真和实验结果表明,新设计的钢背刹车片能有效地减小汽车制动噪声的产生.     

高速列车外流场气动噪声的特性研究

针对高速列车外流场气动噪声完成了在线实验测试研究,对列车模型进行了简化并确定了合理性;进行了列车模型湍流流场模拟,完成了列车远场气动噪声的预测研究.研究表明,合理缩短列车不会改变车身表面声功率分布规律;高速列车气动噪声属于宽频带噪声;在频率范围(0～ 5000Hz)内气动噪声仿真与实验结果吻合较好,说明仿真方法准确度高;列车转向架处湍流最为剧烈,其次为车头鼻锥处;车身表面的气流最为平缓,进一步说明缩短列车模型的合理性.所提出的仿真方法能够为高速列车的结构优化设计提供依据,并能验证高速列车气动噪声控制方法的有效性.