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《基于姿态变化的列车侧风安全性研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、摘要：从流固耦合振动出发研究列车侧风安全性问题。对25m/s横风环境下以250km/h的速度运行在高为10m的高架桥上的列车,首先锁定其悬挂系统,不考虑其姿态变化,进行列车外流场计算。然后以此流场作为初始场,释放悬挂系统,考虑列车与空气介质的相互作用,采用动态网格技术,对列车系统动力学和列车空气动力学进行联合同步仿真。列车在横风作用下自适应得到一个动平衡状态,总体上看,新姿态下作用在车体质心的等效集中气动力较悬挂系统锁定时有所增加。为了比较流固关系考虑与否对列车影响的差异,将悬挂系统锁定情况下的气动力加载到列车
2、上进行动力学分析。计算结果表明,考虑流固关系的列车在侧风下安全性更差。引言：列车依靠特有的轮轨约束关系近地面运行,且其长度比其他交通工具都长,这就造成了列车对侧风的敏感性。较弱的环境风会影响到列车的乘坐舒适性,较强的环境风则将直接威胁到列车的运行安全,国内外强侧风致使列车脱轨、倾覆的事故多有发生。列车侧风安全性问题早已得到相关部门和研究者的重视,其研究内容主要集中在侧风环境下列车外流场特性分析、威胁到行车安全的气动力分析、不同路况条件下的侧风特性分析、挡风墙和侧风环境下列车的临界速度分析等方面。侧风环境下,列车
3、姿态发生变化,流场随之改变,同时气动力亦发生变化。目前,关于姿态变化对列车侧风安全性影响的研究相对较少。文献[1]在进行海岸线侧风试验时,比较了列车悬挂系统锁定与否的侧风特性,而空气介质及其包裹着的列车是相互作用的,且列车的高速化、轻量化加剧了这种相互作用。忽略两者的联系而单独地进行空气动力学和系统动力学分析可能低估侧风的危险性。因此,本文从流固耦合振动出发,采用动态网格技术对列车系统动力学和列车空气动力学进行同步仿真,来寻找环境风作用下列车的动态平衡位置,并得到动态平衡时的气动力和列车系统动力学性能参数,从而
4、考察姿态变化对列车侧风安全性的影响,同时为列车侧风安全性研究提供一种新的分析方法。1、计算方法和模型列车的运行状态影响流场,同时流场也在影响着列车系统,空气介质与列车系统是一个具有能量传递的大系统。本文首先分别建立列车系统动力学模型和列车空气动力学模型,然后通过参数传递、同步控制以及动态网格技术的应用,实现两者的联合同步仿真。列车系统动力学模型和列车空气动力学模型均采用头车、尾车、中间车3辆车编组。空气动力学模型中的列车运动状态与列车系统动力学模型中的列车同步。其中,空气动力学模型中的列车纵向运行仍采用运动方向
5、转换的数值风洞形式。列车系统动力学中列车的车体、构架、轮对各具有相应的自由度。而列车车体是流场的主要扰动物,空气动力学模型中只考虑车体。1.1列车空气动力学模型1.1.1数学模型根据物理守恒定律可以列出列车周围空气的偏微分控制方程:(1)式中,t为时间;ρ为空气密度;u为速度矢量;为流场通量;S为源项;Г为扩散系数,因方程不同而不同。当式(1)表示连续方程时,=1;当其表示动量方程时,分别代表三维坐标系中x方向的速度u、y方向的速度v和z方向的速度w;当其表示湍流两方程时,分别为湍动能k和湍动耗散率ε;当其表示
6、能量方程时,为流体温度T。采用有限体积法对列车周围空间进行离散;在控制体积上对式(1)进行积分,并通过二阶迎风离散格式在控制体节点上产生离散的代数方程;然后采用SIMPLE算法求解此方程组。湍流模型采用标准k-ε两方程模型,近壁区采用壁面函数法进行处理。1.1.2计算模型的边界条件及网格划分设列车以250km/h速度运行于高架桥上迎风侧线路上。图1为列车的空气动力学计算模型。设横风风速为25km/h,忽略空气的可压缩性。计算网格域设定为450m×200m×80m(长×宽×高)。其中，ABCD面、ADGE面、AB
7、FE面为速度入口边界,空气流在边界的x方向速度为-250km/h,y方向速度为25m/s。BCHF面、FHGE面为压力出口边界,其静压为0。桥梁以及地面均为壁面条件,桥梁和地面的x方向速度为-250km/h。列车为运动的边界,其运动情况由列车系统动力学模型逐步提供。列车外形复杂,且该壁面边界是运动的,故列车周围较小区域内采用非结构四面体网格,并定义该区域为动态网格区,随着列车壁面边界的运动,此区域网格发生变形,当网格变形大于设定值时,在局部进行网格重划分。动态网格区域略大于列车的振动范围,其他区域采用结构六面体
8、网格。1.2 列车系统动力学模型空气介质时刻作用在列车上,将作用在列车车体表面上的气动压力等效为集中作用在车体质心上的力,作为列车系统动力学模型的气动激励。通过Lagrange原理可建立列车多体系统动力学方程为式中,M、C、K分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;X、分别为列车系统的广义位移矢量、广义速度矢量、广义加速度矢量;Fr为轨道激励的广义矢量;Fa为作用在车体质心等效气动力的广义
