（机械设计及理论专业论文）集装箱平车刚柔耦合仿真及减振对策研究.pdf

摘要 摘要 为了分析单层、双层集装箱平车的垂向振动问题，利用柔性体接口处理技术，建立 了车体的刚柔耦合仿真模型，并与弹性交叉支撑式三大件转向架构成整车模型。通过对 刚柔耦合仿真对比，分析找出两种车体产生弹性振动的原因，并提出相应的减振对策。 在进行动力学试验和线路运行试验时发现集装箱平车存在一些问题，如车体垂向振 动加速度偏大等。从结构振动模念分析的角度，这种振动加速度的偏大，应当存在激扰 振源以及车体结构模态振动，因此，需要采用刚柔耦合动念分析技术，利用体现柔性体 变形特点的接口处理技术对策，进行轨道运行仿真和整车模念分析。 通过多种线路动态仿真对比分析可以得到如下结论：对于单层集装箱平车，车体结 构具有“鱼刺 梁特征，车体产生弹性振动的主要原因是由于摇枕悬挂的斜楔摩擦“卡 滞”。而且斜楔摩擦系数越大，斜楔低频卡滞所产生的粘一滑振动越明显。因此，这种 粘一滑振动必然引起车体产生高频弹性振动，因而形成垂向加速度过大问题。车体产生 的弹性振动主要为二阶垂向弯曲模态振动。 而双层集装箱车体产生弹性振动的原因与单层集装箱平车的性质不同。双层集装箱 车体具有“落下孔车i 的结构特征，边梁刚度比较低，车体横向模态频率也比较低，因 而弹性振动不是由于车体垂向振动模态引起的，而是由边梁横向模念振动造成的。车体 弹性振动特征与装箱方式有关，只有在上下2 0 f t x 2 装箱时才出现一阶弯曲模箍；振动， 其它装箱方式则主要表现为车体横向振动。 针对单层与双层集装箱车体振动的具体原因，提出了如下专用转向架设计建议：( 1 ) 对于单层集装箱平车，车体刚度比较低，因而需要采用低摩擦系数的高分子材料组合斜 楔，以达到降低重载相对摩擦因子的要求。( 2 ) 对于双层集装箱车辆，重载重心比较 高，车体横向刚度又比较低，因而需要考虑适当的车体刚度补强方案，并利用中央枕簧 适度提高摇枕悬挂刚度，提高车体静态稳定性。 关键词：集装箱平车；三大件转向架；刚柔耦合；模态综合 大连交通大学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt oa n a l y z et h ev e r t i c a lv i b r a t i o np r o b l e mo fs i n g l e d e c ka n dd o u b l e d e c k c o n t a i n e rf l a t c a r s ，t h er i g i d f l e xc o u p l i n gm o d e l so ff l a t c a r sw e r ee s t a b l i s h e db yt h ef l e x - b o d y i n t e r a c t i o nt r a n s a c t i o nt e c h n o l o g y ( f i t t ) ，a n dt h ef u l lv e h i c l ew a sc o n s t i t u t e dw i t ht h e c r o s s b r a c e d - r o ds u p p o r t e d3 - p i e c eb o g i e i nt h ec o n t r a s ts i m u l a t i o n so fr i g i d - f l e xc o u p l i n g s y s t e m s ，t h er e a s o n so fb o t hv e h i c l e s v i b r a t i o nw e r ef o u n da n dt h ec o r r e s p o n d i n gv i b r a t i o n d a m p i n gs t r a t e g i e sw e r ep r o p o s e d i nt h ed y n a m i c a lt e s t sa n dl i n em e a s u r i n gt e s t s s o m ep r o b l e m so fc o n t a i n e rf l a t c a ri s f o u n dt ob ee x i s t e d ，f o re x a m p l e ，v e r t i c a lv i b r a t i o na c c e l e r a t i o ni so nh i g hs i d eo ft h ef l a t c a r b o d y f r o mt h ev i e w p o i n to fs t r u c t u r a lm o d a lv i b r a t i o na n a l y s i s t h ec a u s a t i o no ft h i s o n h i g h s i d ev e r t i c a lv i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns h o u l db ee x i s t e d i e t h ev i b r a t i o ns o u r c e sa n d t h ee x c i t e dm o d a lv i b r a t i o no ff l a t c a rb o d y ，t h e r e f o r e t h es i m u l a t i o na n a l y s i st e c h n o l o g i e so f r i g i d f l e xc o u p l i n gs y s t e mn e e dt ob ea d o p t e d ，f o ri n s t a n c e ，f i t tw h i c hc a nb er e p r e s e n t e d t h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ff l e x 。b o d y ，a n dt h ed y n a m i c a ls i m u l a t i o n sa n dm o d a l a n a l y s i so f f u l lv e h i c l eo nr a i l s t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a nb ed r a w nf r o mt h em u l t i 1 i n ed y n a m i c a ls i m u l a t i o n s ：f o r s i n g l e d e c kc o n t a i n e rf l a t c a r ，w h o s es t r u c t u r eh a sf i s h b o n ef e a t u r e ，s ot h em a i nr e a s o no f f l a t c a rp r o d u c i n gv e r t i c a lv i b r a t i o ni st h ew e d g ef r i c t i o nj a m m i n gi nb o l s t e rs u s p e n s i o n t h e b i g g e rt h ew e d g ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，t h em o r er e m a r k a b l et h es t i c k s l i pv i b r a t i o nc a u s e db y t h ew e d g ef r i c t i o nj a m m i n gi nt h el o w f r e q u e n c yb o l s t e rm o t i o np r o c e s s t h e r e f o r e ，t h e s e s t i c k - s l i pv i b r a t i o n sm u s tb r i n gt h e f l a t c a rb o d yt op r o d u c et h eh i g h f r e q u e n c ye l a s t i c v i b r a t i o n s a n di sr e f e r r e dt ot h eo nh i g h s i d ev e r t i c a lv i b r a t i o na c c e l e r a t i o np r o b l e m t h e f l a t c a r se l a s t i cv i b r a t i o ni sf o r m e db yt h e2 n dv e r t i c a lb e n d i n gm o d a l t h er e a s o nf o rd o u b l e d e c kc o n t a i n e rf l a t c a rv i b r a t i o ni sq u i t ed i f f e r e n tf r o ms i n g l e d e c k c o n t a i n e rf l a t c a r t h ed o u b l e d e c kf l a t c a rb o d yh a st h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i co ft h e w e l l h o l ew a g o n i nw h i c ht h es t i f f n e s so fs i d eb e a mi sr e l a t i v el o wa n dt h ef r e q u e n c yo f c a r b o d y sl a t e r a lm o d a li sa l s ol o w s ot h ee l a s t i cv i b r a t i o ni sn o te x c i t e db yt h ec a r b o d y s v e r t i c a lm o d a lv i b r a t i o n b u ti sc a u s e db yt h es i d eb e a m sl a t e r a lm o d a lv i b r a t i o n t h e c h a r a c t e r i s t i c so fc a r b o d y se l a s t i cv i b r a t i o ni sd e p e n d a n to nt h ec a s e - l o a d i n gm o d e s ，o n l y w h e nt h e2 0 f tx2c a s e so nt h et o pa n db o t t o md e c k st h e1s tv e r t i c a ib e n d i n gm o d a lv i b r a t i o n i sa p p e a r e d i nt h eo t h e rm o d e st h ec a r b o d y sl a t e r a lv i b r a t i o n sa r ea r i s e nm a i n l y w i t hr e s p e c tt ot h ed i f f e r e n tc a u s e so fs i n g l e d e c ka n dd o u b l e d e c kc o n t a i n e rf l a t c a r s ， t h ef o l l o w i n g p r o p o s a l so f s p e c i a l d e s i g n3 - p i e c eb o g i ew e r ep r e s e n t e d ：f i r s t l y ，f o r s i n g l e d e c kc o n t a i n e rf l a t c a r ，w h i c hb o d ys t i f f n e s si sr e l a t i v el o w ，t h ee o n b i n e dw e d g e o fh i g h m o l e c u l a rm a t e r i a li sr e q u i r e di no r d e rt os a t i s f yt h el o w i n go fr e l a t i v ef r i c t i o nf a c t o r ； i i 摘要 s e c o n d l y ，f o rt h ed o u b l e d e c kc o n t a i n e rf l a t c a r ，t h eh e i g h to fw h i c hl a d e nm a s sc e n t e ri s r e l a t i v eh i 。g ha n dc a r b o d y sl a t e r a ls t i f f n e s si sa l s or e l a t i v el o w ，s ot h es u i t a b l es t r e n g t hm e n d o fc a r b o d y sl a t e r a ls t i f f n e s sn e e d st ob ec o n s i d e r e d ，a n dt h es t i f f n e s so fb o l s t e rs u s p e n s i o n s h o u l db ei n c r e a s e db yt h ec e n t r a lb o l s t e rs p r i n gt oi m p r o v et h ec a r b o d ys t a t i cs t a b i l i t y k e yw o r d s ： c o n t a i n e rf l a t c a r ；3 - p i e c eb o g i e ；r i g i d f l e x c o u p l i n g ；m o d a ls y n t h e s i s i ! i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：舀由 日期：一y年j 月fy 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：电话：行4 矿多7 罗2 乡2 通讯地址：以篷中憎盈龛叠i 亏锘厂一6 - - - i 邮编：知形 电子信籀：呵门工舯d 一2 g 膨j 妒 钐r 膳 3 1 月胡年 f ： 伊 名 3 签 ： 师 期 导 日 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 刁d 暂 日期：矽矿矿年f2 月膳日 绪论 绪论 1 1 课题内容及主要问题 目前，集装箱运输已经成为一种先进的、规范的运输方式。在美国、加拿大、墨西 哥、澳大利亚等国家已得到广泛应用。随着我国国内外贸易不断扩大，集装箱运输已进 入了蓬勃发展的时期。为了提升铁路货运物流系统现代化水平，某厂研制了单层和双层 集装箱平车。但进行动力学试验和线路运行试验时发现集装箱平车也存在着一些问题， 对于单层集装箱平车，由于车体垂向刚度不足，造成存在垂向振动加速度偏大的现象， 而对于双层集装箱平车，由于车体重心较高，边梁刚度不足，因而边梁横向振动模态引 会增强垂向耦合作用，并使局部垂向振动增强。为此，本文利用体现柔性体变形特点的 接口处理技术对策，建立单( 双) 层集装箱车体的柔性体模型，并与弹性交叉支撑式三大 件转向架构成整车模型，并对多种线路运行工况进行了仿真对比分析。通过这种动态仿 真分析，找出单( 双) 层集装箱平车产生弹性振动的原因并提出解决措施。 刚柔耦合是指刚体运动模态与柔性体振动模念之问的惯性耦合，是多体动力学与结 构动力学协同仿真的典型问题，在车辆动力学仿真研究中，刚柔耦合是具有广泛应用前 景的发展方向之一。而柔性体接口处理的技术( 约束处理与模态截取) 是刚柔耦合系统 的首要问题和技术难点。因为在模念综合法中子结构问交界面运动特征是单一的，而在 多体系统中柔性体的约束作用则是复杂的。因而柔性体集成规模和计算精度一直是刚柔 耦合仿真应用的制约性难题之一。而在大型刚柔耦合仿真中，会出现模态矩阵维数和广 义坐标数目增大的情况，不利用动力学仿真。因此有必要制定一个针对柔性体接口处理 的技术对策，以达到缩减集成规模保证计算精度的目的。 三大件转向架k 6 x 采用交叉支撑式，其中，交叉杆为柔性构件，摇枕悬挂为变摩 擦悬挂，承载鞍与侧架采用高弹性( 八字型) 橡胶挚。根据k 6 x 转向架的构造特性和 性能要求，建立的参数化模块化模板模型与柔性车体有两个接口，平面心盘和常拨触式旁 承。在摇枕上平面心盘是利用垂向载荷所产生的恢复力矩迫使摇枕形成侧滚或点头运 动；同时，心盘和旁承摩擦力矩构成转向架对车体的回转阻力矩。 柔性车体接口是基于心盘旁承主节点建立的，它具有如下特点：柔性车体可能产生 的静态变形是利用约束模念实现的，因而约束自由度定义充分考虑了柔性车体所能产生 静态变形的可能性；车体固有模念截取是合理的，足以描述车体垂向弯曲和侧滚扭振所 形成的局部变形。 大连交通大学一i ：学硕十学位沦文 摇枕悬挂的垂向和横向悬挂属于变摩擦：悬挂系统，斜楔纵向摩擦力对转向架动力学 性能有着非常重要的影响。因而斜楔摩擦动态优化就具有一定的必要性和可行性。但是 对于斜楔主副摩擦面摩擦系数的稳定性，在实施上有一定难度。近年来，国内在这一方 面研究和应用取得了令人瞩目的进展，如组合式斜楔h p 侧架立拄磨耗板t i o 的摩擦系 数就非常稳定。可是，对于集装箱平车这样特殊的车型，根据在重载车况下的低动态相 对摩擦因子要求，需要进一步研制摩擦系数更低的高分子材料。 本文研究内容的主要有： 1 利用刚柔耦合的方法建立动力学仿真模型； 2 研究单层集装箱平车产生垂向振动加速度偏大的原因及减振对策； 3 研究双层集装箱车体模型的结构模态，分析车体产生弹性振动的原因及车体补 强对策， 研究方法流程如图1 1 所示： 1 2 国内外综述 建立年体刚柔祸合模型 上 建立整车模型 上 摩擦减振对比分析 上 振动特征分析 上 半稳性评价 图1 1 研究方法流程 f i g1 1f l o wo fr e s e a r c hm e t h o d 1 2 1 国内外集装箱平车的发展和应用 集装箱运输【1 1 是一种先进的、规范的运输方式。自从2 0 世纪初问世以来，集装箱运 输得到了很大的发展。1 9 8 1 年美国南太平洋铁路公司将装运集装箱的单元列车由单层装 运改为双层装运，以节约单位运营成本和提高运输能力，并研制了装运双层集装箱的专 用平车。1 9 8 4 年初，美国总统轮船公司( a p l ) 设计制造了双层集装箱车。这种车每组由5 辆车组成，每辆车之间采用铰接连接并共用一台承载力为l o o t 的转向架。车辆的两端采 2 绪论 用标准车钩并各有一台承载能力7 0 t 的转向架，采用“凹式框架 结构，以降低车体高 度。车辆凹部可装1 只4 0 英尺标准箱，其上层可装1 只4 0 英尺箱或4 5 英尺箱。上、下层箱 的加固采用海运固定箱子用的箱间连接装置。 加拿大铁路于1 9 8 5 年底在东部地区开行双层集装箱列车( 疏散到达大西洋海岸港口 的集装箱) ，其间虽遭反对，但在不到1 0 年的时间里，北美铁路在主要线路开行的双层 集装箱列车就成为集装箱向内地疏运的主要运输方式。 澳大利亚的双层集装箱运输起步于1 9 8 0 年，最初采用的是“一层半”式的运输方式， 即下层为半高箱、上层为标准箱的组合配装方法。1 9 8 9 年，澳大利亚国营铁路( a n ) 开始 在无需改造建筑限界就能满足双层集装箱运输的线路上试行两层标准箱叠装的集装箱 运输，开始了真正意义上的双层集装箱运输。澳大利亚的西部铁路基本上不存在限界问 题，双层集装箱运输已经十分普遍，大约占全部集装箱运输的5 0 左右。双层集装箱运 输使列车装载量提高了2 0 0 0 ，从而降低了单位运营成本，产生了良好的经济效益。 进入2 0 世纪9 0 年代后，美国的双层集装箱专用车辆( 5 节一组的关节式平车) 已发展 到1 00 0 0 辆，每周大约发送2 0 0 勇j 双层集装箱专列，运输径路多达几十条，至少为2 5 个主 要城市提供了直接联系。同时，美国现有的国际联运货物列车，同样以双层集装箱运输 为主要方式。双层集装箱列车通常有2 种编组方式：一种是每列车为2 0 个单元，每一单 元由5 辆关节式凹底双层平车构成；一种是由载重11 3 t 的凹底平车来装运双层集装箱，一 般由4 台机车牵引，列车总重近万u 屯，使双层集装箱运输进入了重载运输的领域。 国外铁路认为，集装箱属于载重较轻、装载面积较大的一种运输方式，开展双层集 装箱运输是解决铁路限界高度利用不充分问题的有效途径。铁路双层集装箱运输的出现 是集装箱运输史上的一次革命，它已成为限界较大的国家铁路集装箱运输的重要方式。 集装箱运输作为一种现代化的运输方式弘j ，在我国也得到了蓬勃发展，特别是自2 0 世纪9 0 年代后进入了高速发展阶段，但总体而言，我国铁路集装箱发展水平仍然较低。 虽然集装箱箱型和数量有所增加，特别是国际集装箱数量增加很快，但在实际应用中明 显反映出集装箱保有量不足、箱况差、箱型不全，加上集装箱管理落后，周转时间长， 更加剧了铁路集装箱在数量和箱型上与运输需求的矛盾。2 0 0 6 年我国普通平车约有3 万 辆，占货车总量的5 。2 0 世纪6 0 年代，我国的主型平车为n 1 6 型。7 0 年代至8 0 年代增加 了n 1 7 系列平车。与n 1 6 型车相比，n 1 7 系列平车加大了集载能力，适应了军运特载要求。 发展n n l 7 a 型平车以后，取消了侧门，仅保留了端门，因此平车也丧失了部分运输货 物品种，如沙石、矿石、袋装货物中的水泥、粮食等。同时，为了提高装载加固可靠性， 根据铁道部规定，原木也不再采用平车运输，而是改用敝车运输，因而平车运输货物的 3 大连交通火学下学硕十学位论文 品种有所减少。8 0 年代我国发展了兼有普通平车和集装箱车功能的共用车，如n x l 7 a 型、n x l 7 b 型等。今后我国将不再生产类似n 1 7 型平车的普通平车，而全部生产共用车。 我国集装箱专用平车约有0 9 万辆，占我国货车总量的1 5 。2 0 世纪7 0 年代，我国 研制了n j 5 型集装箱平车，主要运输国内铁路5t 和1 0t 集装箱。8 0 年代开发生产- 了x 6 a 型 集装箱平车，主要用于运输国内铁路5t 和1 0t 集装箱及国际2 0f t 、4 0 盘集装箱。9 0 年代中 期研制了x 6 b 型集装箱平车，该车可承载6 个国内铁路1 0t 集装箱、2 个国际2 0r 集装箱、 1 个4 0f t 或4 5f l 集装箱。9 0 年代末研制了x 1 k 型集装箱平车，该车可承载6 个国内铁路1 0 t 箱、2 个国际2 0f t 集装箱、1 个4 0f t 或4 5f l 集装箱，还增加了1 个2 0f l 集装箱承载工况。 该车运用后因转k 3 型转向架的弹簧承台出现裂纹而进行过改造，其最高运行速度达1 2 0 k m | h ， 2 0 0 3 年，我国研制了双层集装箱车，并且已经在京沪线投入商业运营，在京广线的 北京一韶关间进行了平推运行试验。该车的研制开辟了我国双层集装箱运输的先河，可 以较大幅度地提高集装箱运输能力。该车底层可以承载1 个4 0f t 或2 个2 0f t 集装箱，上 层可以承载2 个2 0f t 或1 个4 0f t 或1 个最大5 3f t 集装箱，最大载重达7 8t 。由于受到限 界和轨道条件的限制，目前仅在京沪线投入运营，最高速度限制在8 0k m h 。现在，双 层集装箱运输限界已经制定并发布，在几大干线将按双层集装箱运输限界进行改造，推 广双层集装箱运输。最近，按最大载重量、最高运行速度1 2 0k m h 、最大装箱高度58 0 5 m m 的双层集装箱线路试验在遂渝线也已结束，试验取得了良好的效果。初步试验结果 表明，在满足双层集装箱运输限界情况下，现有的线路条件基本可以适应丌行双层集装 箱运输二号列的需要。 从集装箱发展趋势分析，国内铁路5 t 集装箱已经淘汰，1 0 t 集装箱也不再新造，并决 定在今后3 年5 年淘汰完毕。国际4 0f t 及以上的集装箱的总重均为3 0 4 8t ，而且一直没 有变化。国际2 0f t 集装箱总重由2 0 世纪7 0 年代的2 0 3 2t 发展n 8 0 年代的2 4 t ，9 0 年代又 发展n 3 0 4 8t 。今后，国内集装箱平车不再考虑国内5t 和1 0t 集装箱的承载工况，同 时必须适应2 0f t 集装箱的总重变化情况。从集装箱运输统计资料分析，集装箱在运输 中装载到最大总重的比例很小，绝大多数没有达到标记的最大总重。由于集装箱在运输 中是按箱收费，而不是按载重记费，因此努力缩短集装箱平车的车辆长度，在8 5 0m x l 0 5 0m 的有效站台长度上尽量编组更多的车辆以增加运输箱数是集装箱平车发展的另一 重要课题。 4 绪论 1 2 2 国内集装箱平车研究综述 为了适应铁路跨越式发展、提升铁路货运物流系统现代化水平，某厂先后研制了单 层和双层集装箱平车。在动力学试验与线路运行中，两种车型的大部分动力学指标都符 合国家标准要求，但是，只存在垂向加速度偏大的问题。垂向加速度是车辆性能的重要 指标，对行车安全和货物的安全都有直接的影响。为此，很多人做了大量的动力学性能 研究和线路实验。 四方所程海涛和刘宏友高工，西南交大戴换云教授等都认为：垂向加速度偏大的主 要原因是平车车体的弹性振动造成的，特别是二阶垂向弯曲模念振动。西南交通大学的 高浩，戴浩云【j 1 对集装箱平车做了刚柔耦合振动分析。他们将车体考虑成柔性体，建立 了刚柔耦合动力学模型，并对其进行动力学仿真计算。通过动力学计算、瞬态响应计算、 频谱分析得出结论：垂向加速度偏大的原因是由于车体局部刚度不足而导致高频弹性振 动，并且该高频振动接近第四阶垂向弯曲频率，进一步恶化心盘附近的垂向振动。 开发双层集装箱平车是铁道部运输局2 0 0 3 年重点安排工作之一，也是2 0 0 4 年铁。道 部科技发展计划项目。该车的设计、样机制造、型式试验和线路动力学试验等工作已完 成，并于2 0 0 3 年年底通过了铁道部技术审查。北车集团四方研究所的刘宏友博士i 斗1 对双 层集装箱平车进行了动力学仿真分析和线路试验。他运用t n u c a r s 车辆动力学分析软件 包进行动力学分析。首先建立了车体模型，然后利于软件对其进行动力学计算。系统分 析模型由车辆模型、线路模型和轮轨接触模型组合而成。试验准备了两种工况：空车和 空箱试验，重车和半重车试验。对试验结果进行对比分析发现：双层集装箱平车酌装载 情况并不影n 向仿真结果和试验结果的对比结论。随着车辆运行速度的升高，车辆的平稳 性指标增大，车辆的振动加速度也增大。 北车集团四方研究所的程海涛高工1 ) 1 对双层集装箱平车先后进行了数次线路动力 学试验和运行试验。试验采用了转k 5 型和转k 6 型两种转向架，并采用了四种工况：空车 工况、空箱工况、重车工况1 ( 载重6 0 t ) 和重车工况2 ( 载重7 8 t ) 。斜楔装置分别采用 了a d i 斜楔和组合斜楔。试验结果表明：该型车重车垂向振动加速度偏大，并且通过对 比可知：该型车载重越大，则垂向振动加速度最大值越大。对产生这一问题可能的所有 原因采用排除法，排除了线路、运行速度和操纵、车体局部弹性振动、转向架、集装箱 箱体的垂向冲击及车体垂向弯曲弹性振动等因素的前5 个因素。经过分析认为造成双层 集装箱重车垂向振动加速度偏大且大于空车对应结果的原因与重车的垂向弯曲振动有 关，而一阶弯曲模念振动是车体弹性振动的主要成分。 本课题针对单层双层集装箱车的垂向振动加速度偏大问题进行了研究。本课题认为 集装箱平车车体结构简单，所以其垂向加速度偏大的原因主要是由于车体的弹性振动造 5 大连交通大学t 学硕十学位论文 成的。而这种垂向加速度偏大现象表现为摇枕悬挂对轨道不平顺适应性差，振动高频成 分加大，并且与车速相关性比较小。因此本课题针对集装箱平车这一特殊车型，利用刚 柔耦合系统仿真技术，建立了具有三维非线性摇枕悬挂的转向架模型和三箱重载柔性车 体模型。然后，对车体进行了运行问题分析和振动特征分析。对于双层集装箱平车采用 了三种装箱车况。多种线路运行工况分析结果表明：与单层集装箱平车所产生的垂向弹 性振动性质不同，其车体弹性振动不是由于车体垂向振动模念引起的，而是由边梁横向 模态振动造成的，而且这一模态振动形式与集装箱的装箱方式有关。上下2 0 f i x 2 装箱时 车体将出现一阶垂向弯曲模态振动，其它装箱方式则主要表现为车体横向振动。而双层 集装箱产生垂向加速度偏大的主要原因是由于车体横向刚度不足而引起的。 柔性体系统动力学是动力学系统的发展方向，它体现了多学科的交叉。引用柔性体 系统动力学理论对集装箱平车的动力性能进行分析，可以揭示整体系统中柔性与刚性的 耦合及相互影响，可以了解车体柔性效应对集装箱平车的稳定性和运行安全性的影响。 1 3 柔性多体系统动力学 柔性多体系统动力学1 6 】研究由可变形线弹性物体以及刚体所组成的系统在经历大范 围空问运动时的动力学行为。这门学科有时又称为多柔体系统动力学，这是相对于人们 所熟悉的多刚体系统动力学而言的，两者合起来称之为多体系统动力学。多刚体动力学 是以系统中各部件均抽象为刚体，但可以计及各部件联结点处的弹性、阻尼等影响为其 分析模型的，而柔性多体动力学则在此基础上更进一步考虑部件的变形。从这一点来看 后者是前者的自然延伸和发展。两者的研究对象都是多体系统，但它们各有所侧重，后 者并不能代替前者。粗略地说，多刚体动力学所侧重的是“多体”这一方面，研究各个 物体刚性运动之间的相互作用及其对系统动力学的影响；柔性多体动力学则侧重“柔性” 这一方面，研究物体变形与其整体刚性运动的相互作用与耦合，以及这种耦合所导致的 独特的动力学效应。变形运动与刚性运动的同时出现及其耦合正是柔性系统动力学的核 心特征。这个特征使得其动力学不仅区别于多刚体系统动力学，还区别于传统的结构动 力学。作为- - 1 7 多学科交叉的边缘性新科学，柔性多体系统动力学只有不n 2 0 年的发展 历史，尚需要在吸取各相关学科研究成果的基础上去创建自己的完整体系和方法。 柔性多体系统动力学的建模方法同多刚体系统动力学相似，也可分为相对坐标和绝 对坐标两种方法，所不同的是在每种方法中均引入了有限元节点坐标或模态坐标以表示 柔性体的变形。在柔性多体系统中如何描述柔性体的变形是很重要的。最初方法是直接 将有限元节点坐标作为柔性体变形的广义坐标，这种作法的缺点是动力学方程中广义坐 标数目庞大，对于复杂的大型结构，这种做法使得数值积分几乎不可能进行，为此需要 6 绪论 引入结构动力学中的坐标缩聚技术，使用少量的模态坐标代替节点坐标以降低动力学方 程的求解规模。柔性多体系统动力学方程是非线性、时变、强耦合的微分方程组，必须 采用有效措施尽可能地缩减求解规模，才有可能在那些大型、复杂、高速运动的实际多 体系统问题中得到应用。 1 4 刚柔耦合 课题采用的刚柔耦合是指刚体运动模态与柔性体振动模念之间的惯性耦合，可以将 多体动力学与结构动力学协同仿真。刚柔耦合问题是自柔性效应的引入而来最令人感兴 趣的，在车辆动力学仿真研究中，是具有广泛应用前景的发展方向之一。但这同时也是 柔性多体系统动力学中最大的研究难点。虽然柔性多体系统动力学的模型可分别退化为 多刚体系统动力学模型和结构动力学模型，但并非二者的简单结合。柔性体大范围空间运 动与其弹性变形之间耦合的机理仍需深入研究，且这种耦合给动力学建模及数值计算带 来了许多困难，使柔性多体系统与上述两种系统有本质不同的动力学特性。 模态分析方法从数学上看它是将物体的线性定常运动微分方程中的物理坐标变换 为模念坐标的一种坐标变换过程，从而使方程组解耦。从物理意义上看，这种方法是从 振动运动的固有特征出发，揭示物体运动现缘的本质，从各阶振动模态在物体响应中能 量贡献大小的分析中建立模念截断准则，从而使分析的方程数尽可能地减少。 部件模态分析方法，则是利用部件( 子结构) 的模态特征和模态坐标建立起来的， 将各部件组装成原系统联接方法，它是动态子结构方法中的主要内容之一。具体菇施步 骤为：首先，将所研究的系统分割为若干部件( 子结构) ；其次，建立各部件的模念集 及模态坐标；然后，利用部件界面上的联接条件将各部件独立的模念坐标耦联起来，组 装成系统的运动方程；最后，将系统运动方程的模态坐标解通过相应的变换返回到物理 坐标上，从而获得所需要的结果。：模态综合方法的优点，除了可以大幅度地缩减系统的 求解规模、提高精度外，它还便于系统中各部件的局部修改和优化以及分析与实验的结 合。尽管部件模态综合的方法很多，但大致都经历如下步骤【，j ： 1 将整体系统分割为若干个部件( 子结构) ，部件可以是系统中的自然部分，也 可以是人为划分的结构系统中的某个局部。 2 建立部件的模态集及模态坐标。部件的模态集也就是部件的里茨基向量，求出 模态集。部件模态集、王，主要有主模态。、约束模态、王，及附着模念、王，。组集而成， 一般地写为： 、壬，= 【。、壬，。、王，。】 于是部件的物理坐标与模态坐标之间的关系为： 大连交通人学t 学硕十学位论文 z ，= 却 ( 1 1 ) 利用上式可将部件在物理坐标下的运动方程变换到模态坐标，这种模态坐标形式的 运动方程也可由实验模态技术得到的模态参数来形成。 3 利用子结构界面联接条件( 协调条件) ，将各部件组装起来，把所有部件的各 自独立的模态坐标p 变换到系统广义坐标g 下 p = s q ( 1 2 ) 从而得到系统在广义坐标下的运动方程。 + 4 在求得广义坐标下运动方程解的基础上，通过( 2 ) 及( 1 ) 式两次坐标转换， 返回到物理坐标甜，从而得到所需的解。 各种模态综合方法不同之处主要是在第一次坐标转换中，模态矩阵、王，所含模态集的 内容不同和由于对部件界面约束形式不同而使第二次坐标转换中s 矩阵的内容不同。 但是应注意到，柔性多体系统的一个特点是变结构系统，系统不同的构形、自由度 数和运动状态变量就有不同的系统模态，必须分析每一瞬时构形下的模态，才能对系统 运动及其动力稳定性有个全面了解。但是即使对系统每一离散位最静止状态下的模态分 析也要重复进行特征值问题计算，显然将耗费大量的机时。 ，柔性多体系统的另一个特点是，有些情况下，各部件之间都是通过转动铰、移动铰 等约束联结起来的，相对于结构系统中划分的各部件间的联结，它属于对接自由度很少 的弱耦合情况，有时不需要将界面的对接自由度再进行缩减。对于通过铰链、弹性元件、 阻尼元件( 或阻尼) 把各部件联结起来的柔性多体系统，在模态综合中称这种系统为弱 耦合系统。当解除部件之间的联结( 约束) 后，可以通过计算或试验或两者兼有的情况 下获得各部件独立的自由界面主模念集的信息，需要的话还可补以静力相关模态，再通 过耦合力或界面位移协调条件，综合成总体运动方程。从实际算例来看，对于这种弱耦 合系统：大多用自由界面法已具有足够的工程精度。 模态分析方法在线性结构动力分析中被公认为是缩减求解工作量、揭露构件振动固 有特性的好方法，然而在柔性多体系统的动力分析中采用模态分析方法则面临着许多困 难。如何更为准确、高效地建立柔性多体系统的动力学模型，如何对柔性体进行模态选 取与模态综合，如何处理柔性体经历大范围空间运动时的动力刚化问题，以及针对柔性 多体系统动力学数学模型的数值方法的研究是柔性多体系统动力学的研究热点。 1 5 研究方案及可行性 课题首先利用体现柔性体变形特征的接口处理技术对策，建立了单层双层集装箱 车体的刚柔耦合仿真模型，并与弹性交叉支撑式三大件转向架构成整车模型。其中，交 8 绪论 叉支撑式三大件转向架k 6 x 的交叉杆为柔性构件，摇枕悬挂为变摩擦悬挂，承载鞍与侧 架采用高弹性( 八字型) 橡胶垫。然后，对所建立的单层、双层集装箱整车刚柔耦合仿 真模型进行轨道不平顺激扰仿真对比。 对于单层集装箱平车，根据动态相对摩擦因子的概念，如果主摩擦面摩擦系数比较 大，在车辆低速运行时可能出现斜楔“卡滞”的现象。由于单层集装箱平车的结构简单， 车体刚度较低，所以会出现高频的垂向弹性振动。因此，解决垂向振动加速度偏大问题 的关键在于如何利用斜楔摩擦系数来得到比较理想的变摩擦悬挂特性，以降低车体产生 弹性振动的可能性。 对于双层集装箱平车，从结构与模态分析可以研究双层集装箱车体模型的结构模态： 与单层集装箱平车所产生的垂向弹性振动性质不同，双层集装箱车具有“落下孔车”的 结构特征，边梁刚度比较低，因而垂向加速度的高频成分主要来自于车体横向模念振动。 并且根据装箱方式不同，这一模态频率将产生非常显著的变化。 为了缩减集成规模以提高计算精度，制定一个体现柔性体约束特征的接口处理技术 对策，是课题的难点。利用这一柔性体接口处理技术对策，可以非常有效地解决了大量 的刚柔耦合工程问题，该技术不仅能得到与动应力试验相吻合的内力分析结果，也能验 证柔性体摩擦约束的稳定性。在集装箱平车垂向振动加速度偏大的仿真研究中，丕仅确 定了垂向振动产生的原因，而且还提出了减振技术对策。 本章小结 本章阐明了本文研究的主要内容及意义。本文是通过刚柔耦合动态仿真，利用体现 柔性体变形特征的接口处理技术对策，建立了单层双层集装箱车体的刚柔耦合仿真模 型，并对多种线路运行工况进行了仿真对比分析。讨论了铁路集装箱运输发展概况，集 装箱平车的发展和应用，简述了柔性多体动力学及刚柔耦合理论。 9 大连交通人学t 学硕十学位论文 第二章基于c m s 的刚柔耦合动态仿真 刚柔耦合是多体动力学与结构动力学的典型协同仿真问题，而在刚柔耦合的仿真应 用当中，柔性体集成规模和计算精度是一个制约性的难点。 柔性体集成方式是基于子结构模态综合( c m s ) 的固定交界面法建立的。在结构动 力学的c m s 方法中，子结构间一般为弱耦合关系，交界面运动特征比较单一。而在多体 动力学中，柔性体界面约束和静态变形却是非常复杂的，与其他组件具有惯性耦合作用。 因此，大型刚柔耦合动态仿真必须应用结构动力学的理论来研究：约束与模态、模态力 与预载、以及惯性耦合与模态截取这三个层次内容的柔性体接口处理技术。 2 1 子结构模态综合法 用有限元的方法对柔性多体系统建模，重要的优越性在于对于任意复杂的部件都可 以运用恰当的有限单元的组集来离散化和模拟。由于每个单元一般都具有相同的计算列 式，而且组集过程舰范化，因而特别适合于计算机编程和计算。但是虽然有限元方法从 物理模型上把原来无限多自由度的柔性部件离散为以单元节点坐标为广义坐标的有限 自由度：系统，但对于大型复杂的系统，特别是柔性多体系统的动力分析及其控制问题计 算量也：黾难以承受的。模态分析与综合法则是在保证一定的精度要求下，尽可能降低分 析的自由度数以缩减求解工作量的有效方法。 在处理子结构的模态方法中模态综合法是一种工程实际中应用较广泛的方法。按照 对界面处理方法的不同，模态综合法分为固定界面法和自由界面法两种。固定界面法将 界面上的自由度完全固定，这样的部件为有约束部件；自由界面法将界面上的自由度完 全放松，使之处于完全自由状态，这样的部件称为自由部件。由于约束条件不同。两种 形式子结构的模态特性也不同，采用的模态综合方式也有所区别，这里主要介绍固定界 面法。 2 1 1 约束模态和固有模态 子结构的模态【8 1 又称之为部件模态。根据结构动力学有关子结构模态综合法的概念 原理，子结构有两个模态子集：约束模态和固有模态，如图2 1 所示。 l o 第二章纂- pc m s 的刚柔耦合动态仿真 态) 图2 1 子结构的约束模态与固有模态 f i g2 1c o n s t r a i n t sm o d ea n ds p e c i f i e do f s o l i t o ns t r u c t u r e s 从上图可知：主模态g 。是交界面完全固定时所对应的固有模态( 。0 ) ，主模 态q ，与内部自由度坼一一对应；而约束模念g 。是指依次释放每一个边界自由度，螽使其 产生单位位移而形成的静位移分布所构成的静态模态( c o 。= 0 ) ，约束模态吼与约束自 由度“。一一对应。 2 1 2 固定交界面法 固定交界面法具有较高的精度，计算程序简单，在工程中得到广泛应用。但该方法 在部件划分较多时的综合规模仍然很大，所以在大型结构动力学分析中，特征