吳宇鵬 劉林芽

(華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)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(dòng)中的比較*

吳宇鵬 劉林芽

(華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)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(jié)合工程實(shí)例建立了64 m鋼桁梁鐵路橋模型。利用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK和有限元軟件ANSYS進(jìn)行聯(lián)合仿真,并考慮LM型和LMA型兩種不同的踏面對(duì)車橋耦合系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)的影響?；谲囕v走行性評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)車輛運(yùn)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(yùn)營(yíng)平穩(wěn)性等。研究結(jié)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(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)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(dòng)力響應(yīng)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(dòng)

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(guó)高速鐵路發(fā)展迅速,車橋耦合振動(dòng)領(lǐng)域受到越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注。不同車輪踏面的輪軌接觸關(guān)系,因不同的輪軌動(dòng)力特性從而影響車橋耦合系統(tǒng)。文獻(xiàn)[1-3]討論了不同輪對(duì)踏面與軌道的接觸對(duì)車輛行駛性能的影響。以往主要采用簡(jiǎn)化模型[4]和推導(dǎo)公式自編程序求解車橋耦合系統(tǒng),其難度較大[5]。本文利用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK和有限元軟件ANSYS進(jìn)行精細(xì)化的聯(lián)合仿真,比以往提高了計(jì)算效率和降低了難度,計(jì)算車輛在不同踏面情況下車橋耦合系統(tǒng)的振動(dòng)并進(jìn)行比較。

1 車橋耦合系統(tǒng)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(tài)坐標(biāo)法和有限元法來(lái)建立橋梁的動(dòng)力學(xué)方程。車橋時(shí)變系統(tǒng)的剛度矩陣、阻尼矩陣、質(zhì)量矩陣隨列車在橋上運(yùn)動(dòng)變化稱為耦合振動(dòng)[6]。在進(jìn)行ANSYS建模時(shí),針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),將橋梁簡(jiǎn)化成梁?jiǎn)卧?、板單元或?qū)嶓w單元等。本文結(jié)合工程實(shí)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?jiǎn)卧M(jìn)行建模簡(jiǎn)化,如圖1所示。

1.2 車輛模型的建立

列車系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型通過(guò)鉸接、剛體、力元、約束以及輪軌接觸模型等來(lái)形成一系列的動(dòng)力學(xué)方程[7]。一節(jié)車輛可認(rèn)為由1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì)等7個(gè)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(cè)滾扭桿、牽引拉桿,橫向止擋等[8]。

圖1 64 m鋼桁架鐵路橋簡(jiǎn)化建模

本文車輛以國(guó)內(nèi)某客車的參數(shù)為基礎(chǔ)并做了一定的簡(jiǎn)化,每個(gè)剛體考慮伸縮、橫擺、浮沉、點(diǎn)頭、側(cè)滾、搖頭6個(gè)自由度。由于輪對(duì)左右各有一個(gè)約束,所以車輛共有34個(gè)自由度。由于只考慮踏面的影響,建立一節(jié)車輛過(guò)橋時(shí)的模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)。車輛模型及拓?fù)鋱D形如圖2、圖3所示。

圖2 車輛模型

圖3 車輛拓?fù)鋱D

1.3 ANSYS和SIMPACK軟件的數(shù)據(jù)交互

將ANSYS軟件的橋梁模型導(dǎo)入SIMPACK軟件中進(jìn)行車橋耦合計(jì)算。在SIMPACK軟件中進(jìn)行剛?cè)狁詈系挠?jì)算方法有兩種[9-10]。方法一把整個(gè)橋梁看成一個(gè)柔性體,車輛看成一個(gè)剛體進(jìn)行車橋耦合計(jì)算。該方法可根據(jù)需要定義橋梁的形式,可自己定義輸出點(diǎn)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(gè)橋梁作為車輛的下部結(jié)構(gòu)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(duì)橋梁的建模有一定的要求。本文采用方法二進(jìn)行車橋耦合,因?yàn)槠淝疤幚砉ぷ髁勘确椒ㄒ灰《仪蠼庑士?。方法一更適合對(duì)柔性輪對(duì)和柔性車體的計(jì)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(méi)有這兩種踏面的資料,故踏面外形參考TB/T 449—2003《機(jī)車車輛車輪輪緣踏面外形》[11]在CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))中進(jìn)行繪制,然后進(jìn)行相關(guān)導(dǎo)入操作,最后生成輪軌接觸模型。圖6、圖7分別為L(zhǎng)MA型和LM型踏面的輪軌接觸幾何關(guān)系。

圖6 LMA型踏面的輪軌接觸幾何關(guān)系

2 不同車輪踏面對(duì)車橋耦合系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)ANSYS和SIMPACK軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真分析,模型按1:1比例導(dǎo)入SIMPACK軟件中(即在建模時(shí)要和車輛的單位一致),積分步長(zhǎng)取0.01 s。選擇德國(guó)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(guān)系

240 km/h、180 km/h、120 km/h三種不同速度通過(guò)橋梁時(shí)在不同踏面情況下的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析。240 km/h時(shí)車輛和橋梁的響應(yīng)如圖8～圖17所示。坐標(biāo)系的選取為車輛前進(jìn)方向?yàn)閤正向,重力方向?yàn)閦正向,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(dòng)力響應(yīng)見(jiàn)表1、表2。

由圖8～圖17可以看出,在同一速度下,不同踏面對(duì)橋梁和車輛的豎向振動(dòng)響應(yīng)沒(méi)有較大差別;使用LM型踏面時(shí)橋梁的橫向位移和加速度比使用LMA型踏面稍大一點(diǎn),但在車輛的橫向動(dòng)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(duì)橋梁和車輛的動(dòng)力響應(yīng)增大更為明顯。綜合考慮《鐵道機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[12]、《鐵路橋梁鑒定規(guī)范》和《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》[13]中的要求,由表1和表2可得,無(wú)論是橋梁和車輛的相關(guān)性能均滿足規(guī)范要求,但隨著速度的增加,LMA型踏面比LM型踏面對(duì)車橋系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)要小。

圖8 橋梁跨中豎向位移

3 結(jié)論

本文使用多體動(dòng)力學(xué)軟件和有限元軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真,利用各自的建模優(yōu)勢(shì)進(jìn)行結(jié)合,提高了模型的建模和計(jì)算效率；且比單純用有限元計(jì)算成本低,用時(shí)少,可視效果好,能更加形象地表現(xiàn)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(guò)對(duì)比LM型踏面和LMA型踏面過(guò)橋時(shí)的車輛和橋梁動(dòng)力響應(yīng)可以看出，無(wú)論哪一種踏面都符合國(guó)家對(duì)列車和橋梁的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,但隨著速度的提高，使用LM型踏面比使用LMA型踏面對(duì)車橋耦合系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)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(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，使得橋梁和車輛的安全性得以提升。這說(shuō)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(shù)

圖17 輪重減載率

表1 不同輪軌踏面過(guò)橋時(shí)橋梁最大動(dòng)力響應(yīng)

表2 不同輪軌踏面過(guò)橋時(shí)車輛最大動(dòng)力響應(yīng)

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[13] 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范:TB10002D1—2005[S].北京:中國(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51268014);江西省“贛鄱英才555工程”領(lǐng)軍人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目

U270.1+1; U 270.331+.1

10.16037/j.1007-869x.2017.01.018

2015-03-27)