高速列车侧风效应的数值模拟

在侧风作用下,高速列车的空气动力学性能发生显著改变.基于三维定常可压缩流动的N-S方程,采用SSTk-ω两方程湍流模型和有限体积法,对某型高速列车以350 km/h的速度在25 m/s侧风环境中运行的流场结构和气动力进行了数值模拟计算,分析了不同风向角的侧风对列车全车,以及受电弓、转向架和风挡等局部区域的作用.结果表明:在侧风作用下,列车的周围包括转向架处均产生复杂的涡流,压力分布十分复杂,转向架对流场的影响不容忽视;随着风向角(0~90°)的增大,侧向力系数及倾覆力矩系数也增大,列车倾覆及脱轨的风险性增加,且头车的倾覆力矩系数远大于中间车和尾车的倾覆力矩系数,应注重对头车的气动性能研究.     

集装箱货车高速侧风行驶稳定性分析

探讨一种将汽车空气动力学与系统动力学相结合的方法,开展了侧风对高速行驶集装箱货车行驶稳定性的影响研究. 采用数值模拟方法得出3~7级侧风下,集装箱货车在常用车速及极限车速下的气动力及气动力矩的变化规律,并通过将一系列Step函数添加到Adams/car软件建立的系统动力学模型中进行行驶安全性分析. 选取侧向位移和偏折角作为评价的指标. 研究结果表明侧风为7级时,集装箱货车的速度应保持在80 km/h以内;侧风为6级时,速度应保持在100 km/h以内,才能保证其行车安全.      

基于动态双向耦合的高速汽车侧风稳定性控制研究

针对高速汽车在侧风环境下的气动稳定性问题,基于大涡模拟（LES）及五自由度车辆模型,建立了汽车空气动力学与汽车动力学的动态双向耦合分析模型.考虑了主动前轮转向的主动控制（AFS）对高速车辆侧风稳定性的影响;采用调整车辆质心位置的方法验证了动态双向耦合模型的鲁棒性.对在某轿车在有、无驾驶员及有、无AFS控制下的运动及流场特性进行了对比分析.研究结果表明:在侧风作用下车辆的侧向速度及横摆角速度对高速车辆的气动稳定性有着重要影响;在无驾驶员条件下,有AFS控制的车辆仍能回到正常行驶路线,而无AFS控制的车辆无法回到正常行驶路线;在有驾驶员条件下,无AFS控制车辆最大侧向位移为1.1 m,有AFS控制车辆最大侧向位移0.47 m,表明AFS控制有助于提高车辆侧风稳定性.      

高速列车蛇行运动稳定性研究概述

高速列车长期服役的可靠性是高铁建设的首要保证,自激蛇行运动是轨道车辆所特有的一种失稳形式,为了保证车辆的运动稳定性,确保其高速、安全行驶,以高速列车蛇行失稳的理论研究方法为背景,概述了蛇行失稳研究中的主要研究方法及其存在的不足,对近期的研究热点方向进行了概述并对非光滑分岔、非对称运行稳定性等方向进行了展望。对于高速列车的确定性和稳定性而言,在不考虑车辆非线性特性的情况下,一般可以采用特征根法、Routh-Hurwitz准则判定法、最小阻尼系数等方法进行分析;当必须考虑轮轨接触以及悬挂系统等非线性特征时,可以采用特征值变化法、QR算法+二分法、中心流形法、打靶法、延续算法等方法。对于车辆的随机稳定性而言,可以采用随机非线性动力学Hamilton理论、蒙特卡洛法、半隐式的Milstein随机数值模拟、小数据量等方法对随机稳定性、随机分岔以及分岔类型进行分析。由于能够考虑自身结构参数激励、轮轨接触不平顺激励,能得到更接近真实运行条件下的失稳临界速度,随机稳定性、随机分岔的理论研究和试验研究逐渐得到研究人员的关注,成为高速列车蛇行失稳研究的热点方向。     

主动四轮转向系统对高速汽车侧风稳定性的控制研究

建立了考虑侧风作用的汽车三自由度非线性动力学模型,应用基于BP神经网络的模型,参考自适应控制方法设计了主动四轮转向控制系统,并对非线性汽车模型进行了控制仿真.仿真结果表明,主动四轮转向系统能够有效的减小侧风对高速行驶汽车运动状态的影响,提高侧风稳定性.     

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.     

青藏线棚车在强横风下的倾覆稳定性

采用缩比棚车模型风洞实验的方法研究棚车在5 m高路堤和15 m高桥梁上的气动性能,得到气动力系数与侧滑角之间的关系,在此基础上,根据静力矩平衡原理建立棚车整车在轨道上倾覆及车体在转向架上倾覆的数学模型,得到车辆在直线和曲线上运行时车辆运行车速和临界倾覆风速关系.研究结果表明:路堤或桥梁上棚车的气动力系数均随着侧滑角的增大而增大,在桥梁上侧滑角为75°时达到最大值,之后稍微降低;车体在转向架上倾覆时的临界风速小于车辆整车在轨道上倾覆的临界风速,车辆的安全速度限值应当以车体在转向架上倾覆为基础进行研究;车辆在曲线上静止时,其在路堤和桥梁上的临界倾覆风速分别为37.0和39.5 m/s,当车速为100km/h时,其临界倾覆风接近30 m/s;若车辆在直线上静止时,其在路堤和桥梁上的临界倾覆风速分别为45.0和49.0 m/s,当车速为120 km/h时,在路堤或桥梁上棚车的临界倾覆风速接近33 m/s.     

地铁列车高速过站风环境数值模拟研究

基于 CFD 数值模拟方法, 采用“动网格”技术, 对列车高速过站(80 km/h)风环境进行数值模拟, 给出高速列车开始驶入、完全驶入和驶离车站时, 站台区域行人高度风速变化情况。在站台行人区域布置63 个风速测点, 对列车风的影响进行定量评估, 并结合评定人员活动的风环境舒适度评估标准, 划定站台区域人员活动安全和舒适范围, 为站台区域设计提供建议。     

基于道路几何参数的弯道临界安全车速模型

为了准确掌握不同道路几何参数与弯道临界安全行车速度之间的关系,建立了一个多维度道路设计临界安全速度数学计算模型。通过Trucksim软件选取某大型车辆分别建立不同道路超高、弯道半径与安全行车速度的仿真试验,采用最小二乘法对数据散点进行拟合与验证,然后通过正交仿真试验得出交互影响下的仿真数据,曲线拟合出针对道路几何参数的二元多项式回归数学模型。将《公路路线设计规范》中一般值和极限值路况下设计安全速度和该模型计算出的临界安全车速进行线性对比,并采用某工况通过本研究的计算模型得出的安全车速与其他具有代表性的传统计算模型和Lee模型进行对比,结果表明,本研究数学模型是有效可靠的,在某工况下精度误差最小;并且随着弯道半径和超高的提高,临界安全车速与设计安全速度的差距在逐渐增大。     

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.     

汽车侧风稳定性的双向耦合方法研究

基于汽车空气动力学与系统动力学双向耦合提出了一种Fluent与Matlab的在线耦合算法.并对侧风工况下某微型面包车的气动以及稳定性进行研究.汽车在9 m/s的稳定侧风环境下行驶1 s,双向耦合方法相对于传统的单向耦合方法计算得到的汽车侧向位移、侧向力、横摆力矩分别减小3.3%,4.8%,17.8%,相应的汽车侧向速度、横摆角速度等的差距都超过了6.0%.并且这种差距会随着作用时间的增加逐渐增大.结果表明:车辆运动状态受气动力的影响不能忽视;汽车的侧向力并不一定随着横摆角变大而增大,要综合考虑汽车的侧向速度与横摆角速度的影响;双向耦合方法建立了汽车空气动力学与系统动力学之间的紧密联系,得到的结果更加切合实际.      

高速客车悬挂参数对临界速度的影响研究

介绍高速客车蛇形运动和临界速度,引入蛇形运动Hopf分岔,用升速法和降速法分别求解线性临界速度和非线性临界速度.用德国低干扰轨道谱作为轨道不平顺激扰,基于多体动力学软件SIMPACK,建立高速客车仿真模型,完成参数设置.求解出高速客车线性临界速度为400 km/h,非线性临界速度为355 km/h,绘制蛇形运动Hopf分岔图.对车辆主要悬挂参数进行线性处理,通过控制变量法分析单个悬挂参数对车辆非线性临界速度的影响;对于单个悬挂参数的取值,用变化系数法逐一实验.结果表明,适当增大抗蛇行减振器阻尼,车辆稳定性提升明显,轴箱定位刚度的影响次之,横向减振器主要提高车辆的曲线通过能力,空气弹簧参数对非线性临界速度基本没有影响.     

基于双向耦合方法的汽车侧风稳定性研究

针对传统单向耦合方法对汽车瞬态侧风稳定性预测不足等问题,文章通过分析车身运动与流场的耦合作用,结合空气动力学与系统动力学,提出了一种双向耦合方法。基于考虑驾驶员模型的二自由度整车操稳模型,对某汽车模型进行了伪阶跃瞬态侧风工况条件下的双向耦合数值分析,并与传统的单向耦合数值计算进行了对比分析。对比结果表明:基于双向耦合计算得出的汽车侧向位移和横摆角变化更为显著,驾驶员控制模型有利于提高高速汽车侧风稳定性,双向耦合方法分析汽车侧风稳定性问题更符合实际。     

计及风压中心漂移的汽车侧风稳定性研究

运用汽车侧风稳定性理论,对侧向风敏感性试验的4个阶段进行了详细分析,在ADAMS／Car软件平台上建立了侧风环境下仿真所需的整车动力学模型．仿真过程首次计及风压中心的漂移,着重拟合了气动侧力、风压中心位置随时间的变化曲线．将得出的仿真结果与以往把侧风作用期间风压中心的位置视为固定不变的情况进行了比较,结果显示计及风压中心漂移的仿真数据与试验趋于吻合．根据分析结果,提出了几条改善侧风稳定性的措施。     

挟沙强横风环境下高速列车的冲蚀性能研究

为了研究风沙环境下高速列车的冲蚀效应,基于空气动力学理论,使用Navier-Stokes方程、标准κ-ε湍流模型对气流进行连续化假设,应用DPM模型对沙粒粒子进行离散化处理。数值模拟了不同风速、不同沙粒粒子直径、不同浓度下的高速列车冲蚀效应,采用欧拉-拉格朗日方法进行求解计算。研究结果表明：速度越大,反射后的粒子距离列车表面越远,偏航角越大,列车附近的粒子运动越无规则;当速度不变时,列车车头处的冲蚀率随着粒子直径的增大而增大;当粒子直径不变时,冲蚀率随着粒子浓度的增大而增大,随着速度的增大呈现先减小后增大的趋势,且最大冲蚀率是最小冲蚀率的2.8倍。     

汽车气动造型在侧风稳定性中的应用研究

对比不同气动造型汽车的侧风稳定性,分析了影响侧风稳定性的因素.采用MATLAB软件建立多自由度汽车动力学数学模型,并进行侧风稳定性仿真,通过对比风压中心与质心3种相对位置情况下的侧倾角速度和横摆角速度,得出风压中心位于质心后的汽车气动造型可以改善汽车侧风稳定性的结论.采用实车侧风稳定性试验进一步验证了侧风稳定性虚拟试验结论的有效性.最后从汽车的车身尾翼、车身横断面、阻风板等方面提出汽车侧风稳定性改善措施.     

基于AFS与DYC的车辆侧风稳定性控制研究

为了研究提高高速车辆侧风稳定性的主动控制方法,建立了考虑侧风作用下的车辆八自由度非线性动力学模型,采用基于分段线性轮胎特性二自由度模型作为参考模型,分别设计了多柔性PID主动前轮转向(AFS)和LQR最优控制直接横摆力矩控制(DYC),对比分析了在两种典型工况下,两种不同主动控制方法对高速车辆侧风稳定性的控制效果.研究结果表明:侧风直线行驶工况下DYC操作性、稳定性、轨迹保持能力方面均优于AFS,纵向动力学性能方面AFS优于DYC;侧风前轮转角正弦输入工况下AFS与DYC在操作性、稳定性、轨迹保持能力方面差别不大,纵向动力学性能方面AFS明显优于DYC.     

基于主动前轮转向控制的汽车侧风稳定性研究

文章针对高速汽车在侧风环境下的气动稳定性问题,建立汽车空气动力学与汽车多体动力学的动态双向耦合分析模型;考虑线性二次型调节器(linear quadratic regulator, LQR)的主动前轮转向控制对高速车辆侧风稳定性的影响,并采用定方向盘转角验证主动前轮转向模型的鲁棒性;对比分析某轿车在有、无主动前轮转向控制下的运动与流场特性。研究结果表明,在侧风作用下,有、无主动前轮转向控制的车辆最大侧向位移分别为0.13 m和1.98 m,最大横摆角分别为0.41°和-2.33°,其中最大侧向位移减小了93%,最大横摆角减小了82%,因此采用主动前轮转向控制可以明显改善汽车的侧风稳定性。     

基于自抗扰技术的汽车侧风稳定性研究

随机侧向风影响汽车操纵稳定性,增加驾驶操作难度.针对侧向风干扰,在线性二自由度模型的基础上提出基于自抗扰技术的汽车主动前轮控制器,消除侧向风干扰对汽车行驶的影响.在Matlab软件中建立了人-车-路闭环仿真模型,用以控制Car Sim四轮车辆模型进行双移线道路仿真试验.Car Sim与Simulink联合仿真结果表明:在侧向风干扰下,自抗扰控制器能很好控制车辆模型完成双移线道路仿真试验,且响应的各项性能指标均优于无风情况;同时,控制器对车速适应性好,对模型精度要求不高,鲁棒性强.主动前轮控制器能有效抗侧向风干扰,改善汽车的操纵稳定性和行驶安全性.     

高速列车风对转向架空气弹簧装置影响的探讨

指出高速列车风对空气弹簧悬挂系统的作用已远超过１２级强台风．分析了高速工况下系统背压的变化及变背压对系统正常工作的影响．经适当简化导出了以马赫数表示的高速转向架空气弹簧背压计算式及垂直刚度修正式．