（光学工程专业论文）基于柔性构架的高速客车动力学性能与疲劳强度研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 高速化和轻量化是铁路客车车辆发展的主要趋势。高速化可以有效地减少乘客旅 行时间和提高经济效益，轻量化可以降低能耗和节约成本。但是，随着运行速度的提 高，激扰频率也随之增加，而轻量化又使车辆承载结构刚度下降，有可能会引起剧烈 的结构振动，从而造成车辆动力学性能的恶化以及承载结构和零部件的疲劳破坏等问 题。 转向架是铁道机车车辆最核心的部件之一，承担着车辆的牵引、制动和承载作用。 其中构架又是转向架的承载主体，传递并衰减轮轨振动。随着运行速度的提高，轮轨 之间的激扰频率也逐渐增大，产生的高频振动先由一系悬挂传递给构架，再通过二系 悬挂传递到车体，由于各减振器的阻尼作用，使得最后传递到车体上的振动大大减少。 而构架自身结构弹性变形很可能会产生不利于衰减振动的效应，从而降低车辆运行安 全性和稳定性。 在铁道机车车辆上，液压减振器吸收振动能量，对车辆平稳和安全地运行起着重 要的作用。在研究车辆系统的动态响应时，减振器安装刚度经常是被忽视的因素之一。 实践证明，安装刚度对减振器减振性能发挥有一定的影响。减振器端部接头安装刚度 过大时，会过多地传递高频振动，使减振器发生别劲或偏磨现象：但若安装刚度过小 或安装间隙过大，则会使减振器有效工作行程缩短，不能达到预期的减振效果。 本文首先利用有限元方法与多体动力学方法在仿真环境下对基于柔性构架的某高 速客车系统进行动态响应分析。结果表明，柔性构架的振动幅值比刚性构架稍大，且 主要集中在高频范围，是因为此频率段构架发生了自身结构弹性振动。 其次建立简化的带有减振器安装刚度的1 4 车辆系统垂向振动模型，在仿真环境中 研究一系垂向减振器三种特性参数的动力学响应，并系统分析了铁路车辆常用的四种 液压减振器的安装刚度对高速客车系统动力学性能的影响。结果表明，安装刚度对车 辆系统动力学性能具有一定的影响，其中抗蛇行减振器安装刚度的变化对其影响最大。 最后分别采用基于u i c o r e 标准和随机载荷谱对构架进行疲劳寿命评估。结果表 明，基于随机载荷谱的疲劳分析方法预测的构架寿命更低。 关键词：高速客车；柔性构架；减振器安装刚度；动力学；疲劳强度 西南交通大学硕士研究生学位论文第t l 页 a b s t r a c t h i g h e rs p e e da n dl i g h t e rw e i g h ta r em a i nt r e n d si nd e v e l o p m e n to fr a i l w a yp a s s e n g e r v e h i c l e s t h ef o r m e rc a l le f f e c t i v e l yr e d u c ep a s s e n g e rt r a v e lt i m ea n di m p r o v ee c o n o m i c b e n e f i t ，w h i l et h el a t t e rc a r ld e c r e a s ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dp r o d u c t i o nc o s t h o w e v e r , t h e h i g h e rr u n n i n gs p e e dm e a n sg r e a t e re x c i t a t i o nf r e q u e n c y , l i g h t w e i g h t i n gr e d u c e ss t i f f n e s so f c a r r y i n g s t r u c t u r e ，w h i c hm a yc a u s es e v e r es t r u c t u r ev i b r a t i o nw o r s e n i n gv e h i c l ed y n a m i c p e r f o r m a n c ea n df a t i g u el i f eo fc o m p o n e n t s t h eb o g i ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t s ，w h i c hi sr e s p o n s i b l ef o rt h er o l ei n d r a w i n g ，b r a k i n ga n dc a r r y i n go ft h ev e h i c l e s t h e nt h ef r a m ep l a y sam a i nr o l ei nc a r r y i n g o fb o g i e ，w h i c ht r a n s f e r sa n dw e a k e n sv i b r a t i o nb e t w e e nw h e e la n dr a i l t h em o r es p e e d i n c r e a s e s ，t h em o r eh i g hf r e q u e n c yv i b r a t i o nb e t w e e nw h e e la n dr a i li sa g g r a v a t e d v i b r a t i o n i st r a n s f e r e df r o mt h ef i r s ts u s p e n s i o nt of r a m e ，t h e nt oc a rb o d yb yt h es e c o n ds u s p e n s i o n a g 咖b e c a u s eo fd a m p i n ge f f e c to fe a c ha b s o r b e r , v i b r a t i o no nt h eb o d yi sg r e a t l yr e d u c e d h o w e v e r , t h ee l a s t i cv i b r a t i o no ff r a m es t r u c t u r em a yh a v ea d v e r s ee f f e c t so nw e a k e n i n g v i b r a t i o n ，w h i c ha f f e c t st h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ev e h i c l er u n n i n g i nt h er a i l w a yl o c o m o t i v e so rv e h i c l e s ，t h eh y d r a u l i ca b s o r b e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n s m o o t ha n ds a f eo p e r a t i o nf o rv e h i c l e w h e nw e s t u d yv e h i c l es y s t e md y n a m i cr e s p o n s e ，t h e m o u n t e ds t i f f n e s so fa b s o r b e rw h i c hh a sb e e np r o v e dt op l a yac e r t a i ne f f e c ti so f t e na n o v e r l o o k e df a c t o r a b s o r b e rw i t ht o ol a r g em o u n t e ds t i f f n e s sw i l lt r a n s f e rh i g hf r e q u e n c y v i b r a t i o n ，w h i c hm a k e su n c o o r d i n a t e df o r c eo rp a r t i a lw e a rh a p p e n h o w e v e r , i ft h em o u n t e d s t i f f n e s si st o os m a l lo ri n s t a l l a t i o nc l e a r a n c ei st o ol a r g e ，e f f e c t i v es t r o k eo fa b s o r b e rw i l lb e s h o r t e n e d ，s oi tc a nn o ta c h i e v ed e s i r e dd a m p i n ge f f e c t i nt h i sp a p e r , h i g hs p e e dp a s s e n g e rs y s t e mf o rd y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i sb a s e do n f l e x i b l ef r a m e si sd o n eb yt h ef i n i t ee l e m e n ta n dm u l t i - b o d yd y n a m i c sm e t h o di nt h e s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tv i b r a t i o na m p l i t u d eo ft h ef l e x i b l ef r a m ei s s l i g h t l yl a r g e rt h a nt h er i g i df r a m e ，b e c a u s ef r a m eh a sg e n e r a t e ds t r u c t u r ee l a s t i cv i b r a t i o n e s p e c i a l l yi nt h eh i g hf r e q u e n c yr a n g e s e c o n d a r y , b a s e do naq u a r t e ro fv e r t i c a lv i b r a t i o nm o d e lo fv e h i c l es y s t e m sw i t h a b s o r b e rm o u n t e ds t i f f n e s s ，r e s e a r c ho fr a i l w a yv e h i c l e ss y s t e m sd y n a m i cr e s p o n s e sw i t h t h r e ed i f f e r e n ta b s o r b e rc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r si sd o n e b e s i d e s ，i ti sf o c u s e do na n a l y z i n g t h a tm o u n t e ds t i f f n e s si n f l u e n c e so nt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e md y n a m i c si nf o u rk i n d so f a b s o r b e r t h er e s u l t ss h o wt h a tm o u n t e ds t i f f n e s sh a sac e r t a i n i n f l u e n c e ，e s p e c i a l l yi n a n t i - h u n t i n gd a m p e r f i n a l l y , a n a l y s i so ff a t i g u el i f ef o rf r a m ei sd o n eb a s e do nu i c o r es t a n d a r da n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 1 页 r a n d o ml o a ds p e c t r u mm e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef a t i g u el i f ef o rf r a m eb yr a n d o m l o a ds p e c t r u mm e t h o di sl o w e rt h a nt h a tb yu i c o r es t a n d a r d k e yw o r d s ：h i g h s p e e dp a s s e n g e rc a r f l e x i b l ef r a m e ；a b s o r b e rm o u n t e ds t i f f n e s s ： d y n a m i e s ；f a t i g u es t r e n g t h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文的选题背景 客运高速化己成为世界铁路运输发展的时代标志。自从1 9 6 4 年1 0 月1 日世界上 第一条高速铁路日本东海道新干线开始投入运营以来【- 】，法国、德国、西班牙、意 大利、韩国、中国台湾、中国大陆等国家和地区相继也新建或改建了各种不同标准的 高速铁路，且速度记录不断刷新，其中最具代表性的是法国新一代t g v 高速试验列车 于2 0 0 7 年创造了时速5 7 4 8k m h 的世界记录【2 】。自从2 0 0 3 年1 0 月1 2 日我国第一条高 速客运铁路秦沈客运专线建成以来，中国高速铁路技术取得了长足的进步，已经 慢慢地跻身于世界高铁强国行列，其中我国新一代c r i - 1 3 8 0 a 高速动车组于2 0 1 0 年1 2 月3 日以4 8 6 1k m h 的速度刷新世界铁路运营列车试验最高速【3 】，再次向世界证明了中 国高铁的巨大潜力。 发展高速客运能够有效地减少乘客旅行时间，提高运行效率，给铁路各部门带来 巨大的经济与社会效益。与此同时，车辆承载结构的减重又带来了一系列新的问题， 其中对车辆系统动力学性能、疲劳强度与寿命的影响就是必须要关注的重点问题。 转向架是铁道机车车辆最核心的部件之一，承担着车辆的牵引、制动和承载作用， 直接影响到车辆运行的安全性和可靠性。其中构架又是转向架的承载主体，传递并衰 减轮轨振动。随着运行速度的提高，轮轨之间的激扰频率也逐渐增大，产生的高频振 动先由一系悬挂传递给构架，再通过二系悬挂传递到车体，由于各减振器的阻尼作用， 使得最后传递到车体上的振动大大减少。但是，构架在传递振动的过程中也会产生自 身结构弹性振动，可能会影响各减振器的阻尼力发挥，从而影响到整车的动力学性能， 同时造成减振器本身和构架安装座处的疲劳破坏问题【4 】。 一般研究车辆动力学性能时，对于中低速运行的车辆，通常把车体和转向架构架 均考虑成为刚体，并不考虑结构弹性变形的影响：但对于高速运行的车辆而言，车体 和构架的弹性变形对车辆系统振动特性的影响不能被忽略【5 ，6 】。所以，在针对高速客车 的动力学性能分析和结构疲劳寿命预测分析时，需要将刚柔耦合多体动力学理论引入 车辆系统中，分析考虑承载结构弹性振动的响应。不仅能够使整车的分析更加符合实 际情况，而且能够研究车辆各部件结构振动对动力学性能和疲劳寿命的影响。 此外，在研究车辆系统的动态响应时，减振器的接头安装刚度一直以来都是经常 被忽视的因素之一。研究表明，安装刚度的选取对减振器减振性能的发挥有一定的作 用 7 】，而构架的结构弹性振动对这种作用也可能起到一定影响。 本文将在以上前提下，针对基于柔性构架的高速客车进行整车动力学性能分析和 构架结构疲劳寿命预测，得出一些有现实意义的分析结果，并作出可能的合理解释。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 刚柔耦合理论在铁道机车车辆上的研究现状 近年来，车辆多体系统的动态分析一直是铁道机车车辆研究的重点课题之一。考 虑车辆系统中结构弹性变形的影响已经成为准确进行车辆系统动力学性能分析和结构 疲劳强度分析的趋势。 1 2 1 弹性体应用在多体系统中的研究进展 在较早把弹性体应用于结构振动分析的研究文献【8 1 7 中，由于当时计算条件的限 制，考虑的弹性体仪仪是简单且有规则的梁、薄板等。通过建立柔性多体系统的方法【1 8 】， 计算出带有弹性部件结构系统的振动响应。1 9 7 0 年以来，采用有限单元法进行多体结 构分析的主要文献见 1 9 ，2 0 ，2 1 】。b o d l e y 2 1 使用有限单元法分析了包含弹性体影响的 结构动态性能。s o n g 1 0 1 在平板结构动态性能的研究中引入了f e 法。d u b o w s k y 2 0 1 使用 集中质量f e 模型推导了结构的运动方程。w e h a g e 2 2 通过使用振型函数模拟弹性体的 变形。1 9 9 7 年，s h a b a n a e 2 3 】发表了多柔体系统动力学的相关进展。s o n g 2 4 2 6 等提出了 弹性体由模态叠加形式表示的标准输入数据( s i d ) ，更加推广了弹性体在多体系统仿真 中的应用。此外，还有许多研究者对该领域做出了重要贡献，如a g r a w a l l 2 7 1 、y o o 【2 8 】、 、u 【2 9 】、i 麓州3 0 】、a m b r o s i o 3 1 】、f r i b e r g 3 2 】、g e r a d i n 3 3 】和h u s t o n 3 4 等，虽然他们的基本思 路都是采用f e 法来处理多体系统中的弹性体，但是在具体的求解算法和边界条件等处 理上却各有特色。 1 2 2 铁道机车车辆主要部件考虑为弹性体的研究进展 1 2 2 1 车体和轮对考虑为弹性体的研究进展 较早将车体和轮对考虑为弹性体的研究文献主要有h o w e l l 3 s 、a 1 l e n 3 6 、h a c 3 7 】 和y o s h i m u r a p s i 等分别在车辆系统动力学分析、半丰动控制和丰动悬挂控制研究中，把 车体简化为弯曲振动的欧拉梁进行分析。1 9 9 4 年，d i a n a 等【3 9 ，4 1 】在研究车体弹性及悬挂 系统对高速列车运行舒适性影响时，把车体和轮对考虑为弹性梁来分析车辆与线路的 相互作用。1 9 9 5 年，e i c k h o f f t t 4 2 1 比较分析了把车体考虑为欧拉梁或铁木辛柯梁所产生 的影响，即梁弯曲时有无剪切应变对分析的影响。1 9 9 7 年，s u z u k i 4 3 删将车体弹性考 虑成具有三段变刚度的欧拉梁来研究车体的结构振动对车辆运行品质的影响。在1 9 9 8 年，s z o l c 4 5 】将轮对的弯曲、扭转和轴向的弹性振动用梁理论进行了分段模拟处理来研 究车辆轮对与轨道之间的相互作用。1 9 9 9 年，程海涛【4 6 】利用m b s 分析软件研究了货 车弹性车体的车辆系统的动态性能。2 0 0 4 年，曾京和邬平波等【4 7 】研究了考虑车体弹性 的半主动悬挂车辆系统在车辆高速运行时的舒适性问题。a r n o l d 4 8 1 在2 0 0 4 年对比分析 了弹性轮对和刚性轮对对客车运行性能的影响，研究表明，轮对的弹性振动会导致车 辆临界速度的降低。2 0 0 5 年，c h a a r 【4 9 】研究了轮对弹性在车辆运行过程中对轮轨作用 力的影响，结果表明，轮对的弹性振动增大了轮轨横向作用力。2 0 0 6 年，缪炳荣【5 0 】采 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 用基于多体动力学和有限元结合方法对机车车体结构疲劳进行了仿真研究。2 0 0 9 年， 万鹏【5 1 】和徐传来【5 2 分别将轮对考虑成柔性进行列车动力学分析和车轮疲劳寿命评估。 2 0 1 0 年，谢基龙【5 3 】基于柔性车体建立刚柔耦合凹底平车车辆系统模型对凹底架进行动 态响应和疲劳强度分析。 1 2 2 2 转向架构架考虑为弹性体的研究进展 将转向架构架视为弹性体，主要用于研究构架动态特性分析、应力分布评估和疲 劳寿命预测等方面，方法丰要是有限单元法与多体系统动力学法联合实现。在该领域， 主要的研究成果有l o u 5 4 5 s 、s f i c h e l 5 9 1 、c l a u s 【删和d i e t z 6 1 ，6 2 等。 l o u t 5 4 5 8 】在对伦敦地铁转向架构架的研究中，首先通过v a m p i r e 软件建立了整车动 力学模型，并输入实测的线路激扰，利用数值积分方法求出了作用于构架的载荷历程， 然后再把该载荷历程作为输入载荷，经过构架结构的有限元计算获得构架的动应力及 其分布，进而分析构架的疲劳特性。 s f i c h e l l 5 9 运用m e d y n a 软件建立了某高速客车的计算模型，为了节省数值积分运 算时间，提出了采用时域法和频域法相结合的方法，有效地提高了仿真效率。通过输 入实测的线路不平顺谱，对比分析了一系垂向作用力分布的计算值与实测值，同时利 用计算和实测的构架相关部位载荷历程计算构架在直线工况下的疲劳寿命。 c 1 a u s 【删采用n e w e u l 软件建立了i c e 高速客车的半车模型，用5 个垂向和5 个 横向模态振型模拟了构架在中低频区域内的结构振动，通过实测线路不平顺的p s d 函 数，计算出作用于构架的动载荷，从而得出其动应力分布。 d i e t z 【6 1 ，6 2 】利用s i m p a c k 软件建立了某货运机车的整车计算模型，考虑了构架和 线路的弹性来研究转向架构架在直线、曲线和道岔上的结构振动响应和疲劳特性。 目前，我国在这一领域也具有一定的研究成果，王成国【6 3 】在2 0 0 1 年将转向架构 架考虑成弹性体，通过数值仿真计算，研究分析了构架上的应力分布，并进而进行了 疲劳分析。阳光武【删等在2 0 0 4 年采用f e 法将地铁转向架构架作为弹性体，利用 s i m p a c k 软件分析了构架动态响应。2 0 0 6 年，金新灿【6 5 】研究了考虑构架柔性通过道 岔时转向架的结构振动与动态应力分析。2 0 0 8 年，姚远【6 6 】分析了转向架构架柔度对构 架垂向动态载荷影响。 1 3 液压减振器在高速客车上的应用现状 为了保证机车车辆在线路上安全、平稳地运行，必须在转向架中装用具有良好性 能的弹簧悬挂减振装置。这种装置通常分为两类【6 7 】：一是弹性元件，主要起缓冲来自 轮轨激扰的作用，如螺旋钢簧、橡胶弹簧或空气弹簧；二是减振器，主要起衰减车辆 悬挂系统振动的作用，如摩擦式减振器或液压减振器。由于货车的运行速度和平稳性 要求均不高，至今除快速货车转向架外几乎全部采用摩擦式减振器，但是其存在摩擦 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 量曼曼毫曼量曼曼曼曼曼曼皇罾量量曼皇曼量皇曼量舅曼舅曼量皇曼曼曼曼鼍曼舅m mm m ：m ：l ：m = m ：m 量鼍曼舅曼量曼曼量曼量量曼鼍曼皇曼曼曼曼皇 力不能随振动速度变化等缺点，尤其是来自簧下的冲击力低于摩擦力时，振动将刚性 地向簧上部分传递；旧式客车限于当时技术和成本的制约，曾采用过钢板弹簧，它具 有弹性元件和摩擦式减振器两者结合为一体的作用；液压减振器几乎能够实现任何实 际需要的减振阻力特性，因此广泛应用于铁道机车车辆上，尤其是高速机车或客车全 部装用液压减振器。如图1 1 所示，i c e l 动力转向架上的减振器。 图1 - 1i c e l 动车转向架上的减振器 1 一系垂向减振器：2 一二系垂向减振器；3 一抗蛇行减振器； 4 一二系横向减振器；5 一耦合减振器 液压减振器装用于需要控制振动的部位，铁路上采用的液压减振器丰要有以下几 种类型。 ( 1 ) 轴箱减振器 该型减振器装用于轴箱悬挂处，以减少构架与轴箱之间的垂向运动，特别是衰减 构架相对于轮对的浮沉、点头和侧滚振动，否则就可能导致很严重的车轮增减载，不 利于车辆运行安全性，并使安装在构架上的各种零部件如牵引电机、电气设备和制动 装置产生过大的振动与磨损。如果在二系悬挂中已具有合适的减振阻尼力，则构架的 浮沉和点头对车体运行平稳性的影响很小。但如果转向架与车体的连接牵引中心的高 度设计不当，则构架的点头振动将通过牵引点传至车体，产生不良的纵向振动，降低 运行平稳性。几乎所有高速机车或客车都装用轴箱减振器，如图1 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图1 - 2c r h 系列转向架上的轴箱减振器 ( 2 ) 二系垂向减振器 该型减振器主要用于抑制转向架与车体之间的浮沉和点头振动。其减振阻尼力对 车体垂向平稳性的影响很大，从而对旅客的乘坐舒适度影响显著。减振器参数的合理 选择主要与车体质量和一系、二系悬挂刚度有关。高速机车上基本都会装用二系垂向 减振器，而高速客车上，二系为螺旋钢簧支撑的转向架必须装用二系垂向减振器，如 图1 3 所示；而部分二系为空气弹簧支撑的转向架没有安装二系垂向减振器，而是通 过空气弹簧中的节流孔来实现垂向阻尼作用，如图1 4 所示。 图l 3 德国i c e l 动车组m d 5 3 0 型拖车转向架上的二系垂向减振器 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图1 - 4 日本新干线e 2 1 0 0 0 型拖车上使用的s k t b 一2 0 0 型转向架 ( 3 ) 二系横向减振器 该型减振器用于抑制车体与转向架之间的横向运动，包括横摆和摇头振动。为了 保证安全和舒适的车辆运行性能，横向减振阻尼力的选择必须与车体质量、安装位置 和二系横向、垂向刚度等因素相匹配。几乎所有的机车与客车，无论其速度高低，都 必须具有二系横向减振阻尼力，这种阻力通常即由减振器来提供。 ( 4 ) 抗蛇行减振器 该型减振器用于抑制转向架相对于车体的摇头运动。车辆以一定速度运行时，转 向架产生一种类似蛇行状的周期性摇摆运动，即蛇行运动。大幅度的蛇行运动会使车 轮轮缘不断地撞击钢轨内侧，加速轮轨之间的磨耗，增大车轮脱轨的危险，严重影响 车辆运行安全性。所以，在车体与转向架之间纵向安装抗蛇行减振器，可以有效地抑 制转向架的蛇行运动，使车辆蛇行失稳临界速度大大提高，保证机车车辆在低于蛇 行失稳临界速度下安全地运行。现代的高速机车和客车上都需装用抗蛇行减振器，有 些为了满足更高速度和可靠性要求下，每侧装用了两个抗蛇行减振器，如图1 5 所示。 图1 5 速度3 0 0k m h 以上的高速动车组转向架上的抗蛇行减振器 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 5 ) 车体端部纵向和横向减振器 该型减振器主要用于铰接式高速客车的两相邻车端之间，用于衰减车体的纵向、 垂向和横向振动，如图1 6 所示。这种减振器的布置不仅起到有效的减振作用，而且 由于车体间纵向阻尼的约束，显著地增强了整列铰接式车辆的整体性和稳定性。 图1 - 6t g v 高速动车组车端减振器 1 一抗蛇行减振器；2 一下部纵向减振器；3 一上部纵向减振器；4 一横向减振器 ( 6 ) 其他类型的减振器 除了以上类型外，液压减振器还用于某些高速列车的受电弓，动力转向架的驱动 单元以及某些特种货车转向架等。如图1 7 所示，c r h 3 动车组转向架牵引电机安装座 与构架横梁之间设置了横向耦合减振器。 图l - 7c r h 3 动车组转向架牵引电机上的横向耦合减振器 1 4 减振器安装刚度对机车车辆性能影响的研究进展 对液压减振器阻尼特性、卸荷特性以及悬挂刚度与阻尼匹配性等对机车车辆动力 学性能影响的研究比较多，但是针对减振器安装刚度对车辆系统性能影响的研究却很 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 少，可能是由于安装刚度的影响对普通车辆系统而言很小，尤其是运行速度不高的时 候，但是对高速运行的车辆系统而言就未必能够忽略。 1 9 9 6 - 2 0 0 3 年，赵云生【7 , 6 8 】基于四方车辆研究所对部分液压减振器的端部安装刚度 的试验研究成果，通过建立整车动力学模型分析四种液压减振器对车辆平稳性和稳定 性的影响，并提出了合理的建议。杨国桢、王福天等【6 7 】在2 0 0 3 年搜集并总结了国内外 机车车辆用减振器的结构特点与特性参数，其中就包括减振器端部连接型式、连接尺 寸和转角、安装刚度等。马卫华【6 9 3 0 在2 0 0 4 2 0 0 5 年针对四种减振器安装刚度比较全 面地分析了径向转向架机车动力学性能，并得出了减振器安装刚度对机车动力学有一 定影响的结论。2 0 0 7 年，陆冠东【7 1 研究了减振器串联刚度对减振器阻力和示功图的影 响，同时介绍了两种在动力学计算中的液压减振器模型，即附加质量法和外力法。 由此可见，研究减振器安装刚度对机车车辆性能的影响很有必要。 1 5 本论文的主要工作 本文针对基于柔性构架的高速客车系统的研究内容丰要有以下几个方面： ( 1 ) 介绍了国内外刚柔耦合理论在铁道机车车辆上的研究现状，列举了液压减振器 在高速客车上的应用情况，并总结了减振器安装刚度对车辆系统动力学影响的研究进 展； ( 2 ) 建立基于柔性构架的车辆系统动力学模型，并通过仿真分析比较考虑构架弹性 的刚柔耦合车辆系统与多刚体车辆系统在动力学性能上的差异； ( 3 ) 建立并推导带有减振器安装刚度的1 4 车辆系统垂向振动模型解析方程，在 s i m p a c k 仿真环境中研究减振器阻尼特性的影响，尤其是减振器安装刚度对车辆系统 动力学性能的影响。 ( 4 ) 基于u i c o r e 标准和随机载荷谱对高速客车转向架构架进行疲劳强度寿命分 析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 鲁曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼量曼曼曼曼笪曼曼曼曼曼曼i _ i ii i 曼曼曼量曼曼曼皇曼量皇皇曼曼量曼鼍量曼曼 第2 章刚柔耦合车辆系统仿真理论基础 2 1 多柔体系统动力学基础理论 多体系统动力学方程的建立主要有三种方法【7 2 】。第一种是牛顿一欧拉 ( n e w t o n - e u l e r ) l 白j 量力学法；第二种是拉格朗日( l a g r a n g e ) 为代表的分析力学方法，其中 包括哈密顿( h a m e l t o n ) 原理，虚功原理的达朗伯尔( d a l c m b c r ) 原理等，由达朗伯尔原理 推导方程可以方便地与多刚体系统和有限元结构相衔接；第三种是基于高斯( g a u s s ) 原 理的具有极小值性质的极值原理。 多刚体系统中采用了6 个不独立的广义坐标q ，= x ，y ，z ，y ，0 ，伊 j ，所以其动力学方 程是高度稀疏耦合的微分代数方程。应用拉格朗日方法得出多刚体系统动力学方程【7 3 】 为： 旦a t l 望a q j t 一 鼍 + 喀+ 一q = 。 f o ( q ，t ) = 0 o ( q ，口，f ) = 0 q = g ：r ，q r t 丁= 妒1 胁+ w r l w ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 式中：q 为广义牮标矩阵；o ( q ，口，f ) = 0 为非完整约束方程；r p ( q ，t ) = 0 为完整约束 方程；o 为广义力矩阵；t 为系统的动能；m 为质量矩阵；v 为广义速度矩阵；1 为转 动惯量矩阵；6 9 为广义角速度矩阵。 建立考虑带柔性部件的多体系统动力学方程的原理是将柔性部件看成有限元模型 节点的集合。引入浮动坐标系，柔性部件的基本变形表现为浮动坐标系的大的非线性 整体平动和转动与相对于浮动坐标系的小的线性变形【7 4 】。任意节点尸的运动可描述为： 0 = r ( t ) + c + “( c ，f )( 2 3 ) 式中：r ( f ) 和c 为刚体运动矢量；u ( c ，t ) 为变形矢量，通过瑞利一李兹( r a y e i g h r i t z ) 法可近似为： j l u ( c ，t ) = “如) 毋( f ) ( 2 - 4 ) l = l 其中u i ( c ) 和吼( f ) 分别为相对于浮动坐标系微小线性变形的模态振型和坐标。 假设柔性体系统的广义坐标为鲁= i x ，y ，z ，y ，0 ，妒，q 。】? r ，其中q 。为第聊阶振型的模 态分量。于是得到动能和势能的表达式为： 1 t = i x 孝- 1 肘( 善) 孝 ( 2 - 5 ) z 1 一 = 孝1 k ( 善) 善 ( 2 - 6 ) 二 代入拉格朗日方程得到柔性体运动微分方程： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 册赔到券孝卜+ = q ( 2 - 7 ) 式中：k 为柔性体的模态刚度，刚度的变化只取决于变形；疋为重力；为约束 方程；q 为外部施加载荷在善上的投影。 2 2 考虑柔l 生部件的车辆系统建模方法 2 2 1 简化模型解析法 当车辆系统振动时，车体和转向架构架会出现独立的伸缩振动、浮沉振动、点头 振动、摇头振动。由车辆的结构特点以及弹性悬挂的约束作用，使得横移和侧滚振动 相互耦合而形成下心滚摆和上心滚摆。这6 种基本振动方式中，浮沉与点头振动属于 车辆的垂向振动范围；横移、侧滚和摇头归结于车辆横向振动范围；而伸缩振动一般 发生在车辆牵引、制动或调车等工况下，纵向力和速度随时间变化的情况，属于列车 动力学范畴【7 5 】。 由此可见车辆系统是一个复杂综合的振动体系，如果仪研究基于柔性车体的车辆 系统垂向响应时，可以建立如图2 1 所示的垂向动力学简化模型，将车体视为均质欧 拉梁，车体和构架都仅具有浮沉和点头2 个自由度。 巾对j 乙丫h 对j z 一 乜刽忸j 图2 - 1 铁道车辆刚柔耦合垂向动力学模型 将车体和转向架总长设为t 和厶；垂向振动位移定义为z ( x ，f ) ，其中x 为距离车 体最左端的位置坐标；、厶分别为前后转向架二系悬挂支撑点至车体最左端的距离： 厶、厶、乇分别为前后转向架一系悬挂支撑点至车体最左端的距离；车体垂向振动 位移z 。( x ，f ) ；车体刚体沉浮运动振型函数。( x ) = 1 ，模态坐标z f ( f ) ；车体刚体点头运 动振型函数。：( 石) = 丘2 - x ，模态坐标见( f ) ；车体弹性振动的振型函数为坛( x ) ，模 态坐标为g c f ( f ) ；前、后转向架垂向振动位移z 6 。( f ) ，z b ：( f ) ；前、后转向架刚体沉浮运 动振型函数k 1 0 1 ( x ) = 1 ，匕：o 。( 工) = l ，模态坐标z b ，( f ) ，气：( f ) ；前、后转向架刚体点头 运动振型函数虼。：( x ) = 一工，k ：。：( 工) = 乞- - x ，模态举标眈。( f ) ，眈：( f ) ；轮对刚体沉浮 振动位移为z w l ( f ) ，z w 2 ( f ) ，z w 3 ( f ) ，z w 4 ( f ) 。 根据牛顿第二定律，可以列出作用在车体和转向架上的外力和外力矩平衡方程如 下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 m 。乏( f ) = 互+ 五 l 见( f ) = ( t 2 一) 互+ ( 丘2 一易) e 南“2 2 一：+ 乞+ 。乞( 2 - 8 ) m 6 2 z b 2 ( f ) = 一e + e + e 厶。吃。( f ) = ( 一) e + ( 一，4 ) 只 。：见：o ) = ( 如一1 5 ) e + ( 乞一1 6 ) 瓦 运用拉格朗日方程推导车体垂向振动方程，并考虑振型函数的正交性，取前n 阶 的振动方程为： 耷。( f ) + 2 ( c o f c ) d ( f ) + c o , 2 q d ( f ) = 二( 坛( ) e + 圪( 如) 丘) ( 2 - 9 ) m c 车体视为支撑在二系悬挂上的自由梁，车体弹性振动的振型函数【，6 】可以表示为： 圪c x ) = c s i n 届x + s i n h 届x + 皇堕堡王墨= i 耋冀兰 j 篝乏 兰芝言 鲁产 c 2 - 。， 运用杜哈美积分【7 6 】可以解得车体弹性振动的模态坐标为： g d o ) = 4c o s m i t + b , s i nq f + 三一( p ( f ) p 一锄( t - r ) s i nc o i ( t r ) d f( 2 11 ) 历唯 取前n 阶模态表示车体的垂向振动位移为： 乙( 工，f ) = z 。( f ) + ( t 2 一x ) o 。c t ) + 乏二圪( x ) g d o ) ( 2 - 1 2 ) 构架的垂向振动位移为： 乙l ( 工，t ) = z b j ( t ) + ( 一x ) 铱l ( f ) 乙2 ( x ，t ) = z b 2 ( f ) + ( 易一工) 眈2 ( f ) 车体上受前后转向架上的第二系弹簧的垂向作用力为： f l = 一2 k 。( 乙( ，t ) 一乞l o ) ) 一2 c = ( 之( ，t ) - z b 。( f ) ) 五= 一2 k 二( z ，( 易，t ) 一乙：( f ) ) 一2 c 2 ( 三。( 乇，t ) 一乞：( f ) ) 前转向架所受的第一系悬挂弹簧的垂向力为： e = 一2 k 田( z 6 l ( ，t ) 一z w l ( f ) ) 一2 c 雎( 三6 。( 厶，f ) 一三。( f ) ) 只= 2 k 班( z 6 l ( 乞，t ) 一z w 2 ( f ) ) 一2 c 昭( 乞l ( ，t ) 一三，2 0 ) ) 后转向架所受的第一系悬挂弹簧的垂向力为： e = - 2 k 肛( 乙2 ( 厶，t ) 一z w 3 ( f ) ) 一2 c 胆( 乞2 ( 厶，f ) 一气3 ( f ) ) e = 2 k 腰( 乞2 ( 气，f ) 一z 。o ) ) 一2 c 跖( 乞2 ( 毛，t ) 一z 。w 4 ( f ) ) 其中k 船、k 、c 彤、q 分别为一系、二系的刚度和阻尼。 f 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 将上述中的e 只分别代入式( 2 8 ) 中就可以简单获得基于柔性车体的车辆系统垂 向振动方程。 一般而言，车体、构架等承载结构是一个复杂的薄壁板、梁混合的不均匀结构， 如果需要更进一步的考虑其实际结构的影响，上述解析法则不能给出更高精度的车体 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 振型函数，此时必须采用模态综合法或实验的方法来确定车体或构架的弹性振型。 2 2 2 模态综合法 模态综合法【7 7 】是基于瑞利一李兹方法，利用结构中各个子结构的低阶模态集来构 造近似程度较高的李兹集，这组模态集的数目远小于原结构的自由度。对这个李兹集 通过模态坐标变换，得到一个低阶的总系统动力学方程，求解这个动力学方法得到原 结构的低频特征和在此李兹集下的系统响应，然后经由坐标变换，返回到原结构中得 到柔性体系统的最后响应。其丰要思想就是将李兹模态集作为系统的假设模态，以达 到自由度缩减目的。其中缩减自由度法中最常用的是g u y a n 缩减法【7 8 】，又称主从自由 度法。假设整体动力平衡方程为： m + c f i + 砌= f ( 2 2 1 ) 式中：u 为位移矩阵，m 为质量矩阵，c 为阻尼矩阵，足为刚度矩阵，为载荷矩阵。 将u 分为两部分：主自由度u 。和从自由度u 。，若只考虑静态情形：k u = f ，并假定 m 个主自由度为边界节点的自由度，s 个从自由度为内部节点的自由度，于是有： 麓糊= 斟 ( 2 - 2 2 ) 由式( 2 2 2 ) 第二式得： u ，= 一五k 。“。 ( 2 - 2 3 ) 假设：u = t u 。，其中丁为转换矩阵，代入式( 2 2 3 ) 得： 丁= r ， ( 2 - 2 4 ) l 一1 如j 由式( 2 2 2 ) 第一式得： k 所一如k 1 kl “。= ( 2 2 5 ) 转换后的刚度矩阵为： k = k 。一k 。k - 1 k = t 1 胛 ( 2 2 6 ) 应用相同的转换矩阵t 将其扩展得质量矩阵m 。= t t 胛和阻尼矩阵c 二= 丁t c 7 ， 于是新的动力平衡方程变为： m 。u 。+ q “。十k “。= e( 2 2 7 ) 比较式( 2 2 7 ) 和式( 2 2 1 ) 可知，计算的自由度数大大减少。此外，轨道车辆柔性多 体系统具有弱耦合的特点，即各部件之间通过有限个移动铰或转动铰及弹性、阻尼元 件相连，相应的界面自由度较少，通过该方法选取各部件独立的自由界面主模态集及 附加的静力模态也可以达到很好的精度 7 9 】。所以，利用模态综合法仅需要取较少的低 阶模态即可准确地模拟车体、构架或轮对等结构弹性振动。 2 3 柔性构架的实现 2 3 1 柔性体创建基本过程 柔性体的动力学模型一般是通过有限元软件和动力学软件联合实现的。本文是运 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 用a n s y s 软件建立某高速客车转向架构架有限元模型，进行子结构分析和模态分析并 获相关结果文件；再运用s i m p a c k 软件中的f e m b s 模块读取上述结果文件，并生成 包含柔性体数据的标准输入文件( s i df e m ) ，调入该文件便可以进行柔性体系统建模