（载运工具运用工程专业论文）高速列车车体交变气动载荷试验装置研建.pdf

摘要 列车高速通过隧道、在隧道内交会和明线交会时，将产生较大的 空气压力变化。在交变气动载荷作用下，车体及部件焊缝附近、结构 不连续部位及开孔接管等区域常常会产生很高的应力，并使材料晶粒 间发生滑移和位错，逐渐形成微裂纹，随着载荷的不断循环，微裂纹 也不断扩展，进而形成宏观疲劳裂纹，最终导致车体发生疲劳断裂， 影响列车运行安全。 为了研究车体及部件在交变气动载荷作用下的疲劳特性，本文采 用基于三维、可压缩、非定常n s 方程的流场数值计算方法，对车体 内部流场进行了细致研究，并在此基础上，设计、研建了能使车内压 力呈三角波形变化的高速列车车体交变气动载荷试验装置。 三维流场数值计算模拟了不同孔径下车体充气和抽气过程，分析 了车体内流场压力分布均匀性和压力随时间变化历程，计算结果表明： 充气和抽气流量恒定时，孔径大小对车内压力变化幅值及变化率的影 响可以忽略，车内压力随时间呈线性变化，在周而复始的充气过程和 抽气过程中，车内压力可以实现试验要求的三角波形变化。 通过模拟车体、气路系统、控制系统及数据采集系统的设计、比 选，研建了一套“高速列车车体交变气动载荷试验装置 ，并在该试验 装置上进行了重复性、可靠性等试验，试验结果表明：车内压力随时 间呈三角波形变化、压力波幅值和周期可任意调节、压力波正向和负 向幅值对称、压力分布均匀，试验数据重复性好、试验装置运行可靠。 试验结果和数值模拟结果具有较好的一致性，可以满足车体疲劳试验 要求。 关键词：高速列车，交变气动载荷，试验装置，车体疲劳 a bs t r a c t w h e nah i g h s p e e dt r a i ne n t e r sam n n e la l o n e ，a n dp a s s e si nt u n n e l a n di no p e na i r ，t h e r ew i l lb eg r e a tc h a n g e si na i rp r e s s u r e u n d e rt h e a l t e m a t i n ga e r o d y n a m i c1 0 a d s ，ah i g ht e n s i o no r e na p p e a r so nt h er e g i o n s o ft h ev i c i n i t yo fw e l d e d jo i n t s ，t h es t r u c t l l r a ld i s c o n t i n u i t yr e g i o n sa n dt h e d i a m e t e rn o z z l e ，w h i c hw i l lm a k et h em a t e d a lc 巧s t a ls l i d ea 1 1 dd i s l o c a t e ， a n dg r a d u a l l yf i o mt h em i c r o - c r a c l ( s a l o n gw i t ht h ec o n s t a n tc y c l eo ft h e l o a d i n g ，t h em i c r o - c r a c k sa r ea l s oe x p a n d i n g ，t h u sf i o m i n gt h em a c r o s c o p i c f a t i g u ec r a c l ( s t h ec r a c bw i l ll e a dt h ec a rb o d yt ot u mo u tf a t i g u e 行a c t u r e f i n a l l y a n da 仃e c tt h es a f e t yo ft r a i n s i no r d e rt o s t u d yt h ef a t i g u ep r o p e r t i e so ft h ec a rb o d ya n d c o m p o n e m su n d e rt h ea l t e m a t i n ga e r o d y n a m i cl o a d s ，ad e t a i l e ds t u d yo n t h ei n t e m a ln o wf i e l do ft h ec a r b o d yw a sc o n d u c t e db a s e do nt h e n a v i e r _ s t o k e s e q u a t i o n s w i t ht h r e e d i m e n s i o n a l ， c o m p r e s s i b l e a n d u n s t e a d yv i s c o u sf l u i d t h e n ，a ne x p e m e n td e v i c ea b o u tt h eb o d yo f h i g h s p e e dt r a i nu n d e rt h ea l t e m a t i n ga e r o d y n a m i cl o a d sw a sd e s i g n e da n d c o n s t n l c t e d ， w h i c hc a nm a k et h ep r e s s u r ei nt h ec a rb o d yc h a n g ea s t r i a n g u l a rw a v e f o n n s t h r o u g ht h et h r e e - d i m e n s i o n a ln o wf i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e c a rb o d yi n n a t i o na i l de x t r a c t i o np r o c e s s e su n d e rd i f f e r e n t 印e r m r ew a s s i m u l a t e d ，a n dt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o nu n i f o m i t ) ，o ft h ec a rb o d yf l o w f i e l da j l dt h ep r o c e s s e so fm e p r e s s u r ec h a n g e dw i t ht i m ew a sa n a l y z e d t h e r e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o wt h a t ：t h ei n f l u e n c eo ft h ep o r es i z et o t h ep r e s s u r ei n s i d et h ev e h i c l ec a nb ei g n o r e do nt h ec o n d i t i o no fm ec a r b o d yi n f l a t i o na n de x t r a c t i o nn o wc o n s t a n t i n g ；t h ep r e s s u r ei nt h ec a rb o d y c h a n g e s1 i n e a r l yw i t ht i m e ；a n dw i t ht h er e p e a t i n gp r o c e s s e so fi n n a t i o n l i a n de x t r a c t i o n ，t h ep r e s s u r ei nt h ec a rb o d yw i l lc h a n g ea st r i a n g u l a r w a v e f o m sw i t ht i m ea c h i e v i n gt h et e s tr e q u e s t s “a ne x p e r i m e n td e v i c ea b o u tt h eb o d yo fh i g h s p e e dt r a i no nt h e a l t e m a t i n ga e r o d y n a m i cl o a d s w a sc o n s t l l j c t e db yt h ed e s i g na n d c o m p a r i s o no fs i m u l a t i n gc a rb o d y ，p n e u m a t i cs y s t e m ，c o n t r o ls y s t e ma n d d a t aa c q u i s i t i o ns y s t 锄a n dt h er e p e a t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft e s t so nt h i s e x d e r i m e n td e v i c ew e r ed o n e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：t h ee x d e n m e n td e v l c ew e r ed o n e in ee x p e n m e m a ir e s u l t ss n o w【n a 【： 【i l e p r e s s u r ei nt h ec a rb o d yc h a n g e sa st n a n g u l a rw a v e f o r m sw i t ht i m e ；t h e a m p l i t u d ea u l dp e r i o do fp r e s s u r ew a v e f o 兀n sc a nb ea r b i t r a r i l ya d ju s t e d ；t h e p o s i t i v ea n dn e g a t i v ea m p l i t u d eo f t h ep r e s s u r ew a v ea r es ”m n e t r i c a l ；t h e p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na r eu n i f i o n n ；t h et e s td a t ah a sg o o dr 印e a t a b i l i t y ；a n d t b ee x l ) e 而m e n td e v i c em n sr e l i a b l v t h et e s tr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h e t h ee x p e n m e n td e v l c em n sr e l l a b l y 1n et e s tr e s u l t sa r ec o n s ls t e mw l mm e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，w h i c hc a nm e e tt h ef - a t i g u et e s tr e q u i r e m e n t s o f t h ec a rb o d y k e yw o i t d s h i g h s p e e dt r a i n ，a l t e m a t i n ga e r o d y n a m i cl o a d s ， e x p e r i m e n td e v i c e ，f a t i g u eo f t h ev e h i c l eb o d y i u 硕：卜学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 安全、快捷、舒适是现代轨道交通追求的三大目标。高速列车运行速度 v 耋2 0 0 k m ，在两车交会时速度达v 至4 0 0 k n 泊，这处于亚音速流状态，当高速列 车( 包括磁浮列车) 通过隧道和在隧道内交会时，将产生较大的空气压力变化， 此压力变化传入车厢内会引起旅客耳鸣、恶心、呕吐等现象，给旅客乘坐舒适性 带来严重影响，国内外研究者将这一问题归咎为车辆的气密性。因此，国外高速 列车发达国家对高速列车车厢气密性做出了非常严格的要求，致使车辆制造成本 大幅度提高，尽管如此，这一问题并没有得到有效解决【卜4 】。经实地考烈引，法国 的t g v 高速列车在通过地下隧道进入巴黎车站过程中，车厢内的气压变化非常明 显，由1 2 人组成的考察团成员均有不同程度的耳鸣和恶心感觉，有两人出现了轻 度呕吐。日本新干线列车也有类似现象【6 。1 1 。2 0 0 3 年在我国西南地区列车提速试验 中，尽管列车最高运行速度不高( 如南昆线仅为1 0 0k n 泊) ，且试验列车由气密性 较好的提速客车组成，但大部分参试人员在列车过隧道过程中感到由气压变化造 成的明显不适【i z 13 1 。 高速列车运行时车体及受压部件的膨胀或收缩受到了约束。当高速列车通过 隧道、在隧道内交会和明线交会时，将产生较大的周期性空气压力变化。由于列 车车体在持续的空气动力作用下，交变气动载荷将使车体中的应力随着时间呈周 期性变化，而在交变气动载荷作用下列车车体及受压部件中的焊接接头附近、结 构不连续部位以及开孔接管等区域内常常会产生很高的局部峰值应力。在其反复 作用下，会使材料晶粒间发生滑移和位错，逐渐形威微裂纹，随着载荷的不断循 环，微裂纹也不断扩展，进而形成宏观疲劳裂纹贯穿整个壁厚，最终导致车体发 生疲劳断裂，影响到列车和乘客的安全【i 4 1 。 2 0 0 3 年7 月进行的上海磁浮列车空气动力学性能试验【1 5 16 1 ，也证实了上述结 论。当两列磁浮列车以4 3 0 k n 汕速度交会时，车厢内连续产生两声空气爆鸣声， 经现场测试，由于交会空气压力波的作用，磁浮列车车体侧墙产生了高达1 3 毫米 的单向变形。由此证明车外压力变化时，交会压力波传入车厢内将会引起车内乘 客的不适。车外压力变化引起车体侧墙较大变形，若侧墙变形周期发生，列车车 体将发生疲劳断裂。 由此可见，高速运行的列车由于各种气动效应的影响，使列车车厢内外压差 增大，若列车密封性差则必将引起车内气压的较大变化，如果气压变化超过一定 范围，将引起人体各种不适感。车体内外气压的反复变化及由此产生的长时间的 硕士学位论文 第一章绪论 动载荷，将有可能导致车体的变形、疲劳，在应力集中的部位产生裂纹甚至断裂， 影响到车体的使用寿命及安全性。如何提高高速列车车厢内乘客的舒适性和高速 列车运行安全性是高速铁路发展必须要解决的问题。设计科学合理的车体可以将 空气压力合理地分布其上，使得车体受空气压力波冲击变形在极限范围内；车体 及部件气密性好坏将直接决定车内乘客舒适性的高低，因此各国对车体及部件气 密性的研究成为高速铁路发展的当务之急【1 7 】。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 压力变化对旅客舒适性的影响研究 随着列车运行速度提高，列车通过隧道、在隧道和明线交会时引起的空气压 力变化传入车厢内给乘客造成的不舒适程度增加。为了解气压变化对人体舒适性 的影响，英国、日本、德国等高速列车发达国家对此开展了大量的研究【1 8 。2 6 】。目 前气压变化环境下人体舒适度评价有两种方法，一种是从压力变化幅值和压力变 化率两个指标来进行评估；另一种是考核某一时间段内的压力变化幅值，这一时 间段是根据人耳对外界气压变化完成自我调整所需时间来确定的。世界各国根据 自己的试验研究结果、线路条件等，制定了不同的人体舒适度评价标准。 ( 1 ) 日本 日本于1 9 6 4 年研制第l 条高速铁路线时，不仅考虑了流线型的列车头部及外 形，而且已开始注意到列车进入隧道时的压力变化及其对旅客的舒适度影响问题。 为此，1 9 6 6 年，日本在日立制作笠原工厂建立了气密实验室。该实验室既可进行 交变压力作用下的耐压疲劳强度试验，又可进行多种车辆的气密性试验。通过大 量压力变动与耳鸣关系的试验结果，得出了耳感舒适度临界曲线( 见图1 1 ) ，图 1 1 中以压力变化幅值为横坐标，压力变化率为纵坐标，斜线以下部分为舒适区， 斜线以上部分为非舒适区。并提出了肿己新干线人体舒适度评价标准：最大压力 变化幅值为1 0 0 0 p a ，最大压力变化率为3 0 0 p a s 【2 7 2 引。 压力，m h 图1 1 耳感舒适度曲线 2 o o o o o ，譬斟r避 硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 英国 7 0 年代初期，英国为满足新一代列车在新电气化的西海岸干线高速运行的需 要，提出了气密性的要求。英国在d e r b y 的铁道研究所建造了一个瞬变压力实验室， 用于研究人对瞬变压力的反应。在实验室内，不仅可以测试人耳对某一个压力变 化量或压力变化率的感觉，而且可以模拟乘客在整个旅行过程中人耳感受到的空 气压力变化的舒适性感觉。该实验室已进行了多种试验，为了解压力变化对人耳 舒适感觉的影响提供了最全面、可靠的资料。并在此基础上，广泛地进行了国际 间的共同研究，制定了自己的标准：4 s 内最大压力幅值为4 0 0 0p a 。该标准适用于 所有英国铁路，4 s 大致相当于完成耳膜压力调整所需的时间，因此，像英国这样规 定一段时问内压力变化最大值似乎更有生理学的基础。英国于1 9 7 3 年提出暂定指 标( 见表1 1 ) ，于1 9 7 6 年正式建立了英国铁路舒适度和安全性压力变化极限指标( 见 表1 2 ) 。 表1 1 英国铁路舒适性指标 乐力变化脑a生理学现象 2 可忍受 3 开始不舒适的平均值 4 非常不舒服 5 不舒服的上限开始有耳痫 8 很痛 9 强烈疼痛 1 3 耳膜可能有破裂 2 3 几乎肯定耳膜有破裂 表1 2 英国铁路舒适性和安全压力变化极限指标k p a 丁况 旅客舒适度乘坐安全性 很少发生变化( 3 秒内) 35 反复发生变化( 3 0 m i n 内每5 1 5 s 发生一次) o 4o 7 ( 3 ) 德国 8 0 年代初期，原联邦德国决定建设新的高速铁路网( n b s ) 。根据在英国d e 而y 实验室进行的模拟不密封客车在n b s 线上运行的压力舒适性试验结果，原联邦德 国决定在新的高速线上采用气密性客车，另外，又考虑到n b s 线与日本新干线类 似，线路中隧道所占比例较大，故决定采用日本的人体舒适度评价标准：最大压 力变化幅值为l 0 0 0 p a ，最大压力变化率为2 0 0p a s ，并允许将2 0 0p a s 的限制放宽 硕士学位论文 第一章绪论 到3 0 0p a s 4 0 0p “s 【2 9 - 3 0 1 。德国的试验研究表明，压力波对旅客舒适的影响除了 取决于空气压力波变化的幅度( p a ) 和压力上升或下降的梯度( p “s ) 之外，还取决于 发生该波动的频繁性。图1 2 中的曲线为大多数乘客“正好还没有不舒适感觉 时 的压力变化与所需时间的关系。 32li o垃 蠛办 图1 2 耳感不舒适度评定 ( 4 ) 美国 美国运输部u m t a 建议的人体舒适度评价标准为1 7 s 内最大压力变化幅值 为7 0 0 p a ，最大压力变化率为4 l o p a s 。 ( 5 ) 中国 在我国，自广深线准高速列车开行以来所带来的气密性问题，给了我们一些 感性的认识。许多专家学者已开始研究高速列车的气密性问题，试图通过试验研 究来确定高速列车必要的人体舒适度评价标准，但实质性的进展不多。2 0 0 5 年5 月， 我国第一次进行了2 0 0 l c i 】讹等级遂渝线隧道空气动力学试验。在该试验基础上，参 考国外标准于2 0 0 6 年对列车过隧道时车厢内气压变化提出了初步考核意见：单线 隧道小于8 0 0 p a 3 s ；双线隧道小于1 2 5 0 p a 3 s 【3 l 】。 ( 6 ) 其他国家 意大利、荷兰、前苏联、法国等都积极开展了一系列试验，对车辆气密性的 技术要求和指标进行了研究。 l - 2 2 车体气密性研究 车体气密性是高速列车的重要技术性能指标之一，车体气密性水平的高低几 乎影响到了其研制的成功与否，不容忽视。国外高速列车发达国家对高速列车车 体气密性做出了非常严格的要求，制定了气密性试验标准用于指导客车的制造。 准确、真实地检测车体气密性能，就成为了保障高速列车成功研制的重要环节。 因此，需要认真调查研究国内外在此方面开展过的工作及己经取得的成果，加以 借鉴，建立起符合我国高速铁路客车研制需要的检测手段与措施，配齐相应的基 4 j掌i嚣默最皤 硕士学位论文 第一章绪论 础设施与设备。 在气密性检测方面，过去生产厂家采用湿式检测法即“水检”法，这种方法 虽不需要操作人员较高的技术和特殊设备，由于人的主观性因素的影响很容易产 生误判，而且浸水后还需对工件做处理，增加了工人的工作强度。上世纪7 0 年代 中后期，一些工业技术发达国家为了克服“水检”的弊端，先后丌始研究代替“水检 的新工艺、新设备。上世纪9 0 年代仞，干式检漏法逐渐成熟代替了传统的湿式检 测法。干式检漏法一般采用空气作为检测介质，但有的情况可以是其它气体，如 氮气检测法，干式检漏法清洁、无污染，而且简单易行，给实际生产生活带来了 极大的方便，得到了广泛的应用。干式检漏法是根据气体的泄漏将引起被测件内 气体质量减少，这样必然引起被测件内气体的一些参数发生变化，从而根据这些 参数的变化判断出泄漏量 3 2 。干式检漏法测定车辆气密性的方法有2 种：一种是恒 压法，一种是减压法。恒压法即车体内部加压，在充入的计量空气与车体漏气量 之间可以建立起所需要的压力平衡，计量空气的流量就是车体的漏气量，充气量 越小，气密性就越好；减压法即车体内部加压，一直到建立其预定的压力为止， 然后关闭进气阀，内部即衰减，测定从预定的高压压力值降到低压压力值所需要 的时间，时间越长，气密性就越好。目前普遍采用的方法是减压法，即向封堵后 的车厢内充气至一定压力，然后自然泄压，以泄压前后的时间差( 简称泄压时问) 来衡量车辆的气密性。国外高速列车发达国家对泄压时间的规定差异很大，采用 的研究方法为类比法，如德国在制定高速列车车体气密性技术条件时，首先选定 若干经实际运营考核的车辆，这些车辆在一般的车外压力变化情况下，基本满足 车内乘客的舒适性要求，然后采用人工加压法，测量车辆的泄压时间，以平均泄 压时间乘上一个修正系数作为制定车体气密性技术条件的依据【3 3 3 7 1 。 各国制定泄压时间的基准不一致，相互间无法比较，故引入“气密性常数”。假 如在车体内造成一种正压力或负压力后，车内压力会以近似指数函数变化使车内 外压力趋于平衡，见图1 3 气密性常数定义如下【3 8 】： f ：生 却| 心 式中卸一内外压力差；叫出一内部压力变化梯度。 一辆车的静态值f 可相对简单地用下式计算： f = l 一 ( 1 1 ) l i l ( 觚蚬) 式中f 一时间；胡一开始时的压力差；舰一结束时的压力差。 如果舰和衄根据图1 3 选取舰瓴= e ：l 的比例，表达式 1 1 1 ( 卸，衄) = h p = 1 ，因而f = f 。故气密性常数越大，车体的气密性越好。 5 硕七学点论文第一章绪论 时间t s 图1 3 压力变化与变化时间的关系曲线 日本、德国制定的气密性试验标准如下： ( 1 ) 日本 新造车：车内压力由4 0 0 0 p a 变化到10 0 0 p a 的时间不少于5 0 s ，即泄压时间 t 5 0 s ，相当于f 3 6 s 。 旧车：走行9 0 万k m 的密封实验要求车内压力由4 0 0 0 p a 变化到1 0 0 0 p a 的时 间不少于4 0 s ，即泄压时间t 4 0 s ，相当于r 2 9 s 。 ( 2 ) 德国 i c e 列车：车内压力4 0 0 0 p a 变化到l o o o p a 的时间不少于5 0 s ，即泄压时问 t 5 0 s ，相当于f 3 6 s 。 修理车：车内压力3 5 0 0 p a 变化到1 0 0 0 p a 的时间不少于3 6 s ，即泄压时间 t 3 6 s ，相当于f 2 9 s 。 由于类比法研究结果主要是针对被试车辆得出的，对不同车辆而言，其通用 性较差，再加之修正系数纯属经验值，因此德国提出的i c e 车体气密性标准中， 特别注明其检验指标有待验证。 我国对高速轨道交通的研究起步较晚，铁路行业中实行的相关标准均参考国 外标准制定，如2 0 0 1 年8 月2 1 日由铁道部科技司签发的一份2 0 0 k i 汕及以上速 度级列车密封设计及试验鉴定暂行规定中要求：整车落成后的密封性能当车内 压力由3 6 0 0 p a 降至1 3 5 0 p a 时，泄压时间应大于1 8 s ( 相当于r 1 8 s 。该标准小于 日本新造车的标准) 。此规定值是否符合我国国情( 指我国机车车辆生产及现有车 辆状况、铁路线路包括隧道状况以及我国人口对气压变化的敏感程度等) 亟待研 究。 1 2 3 车体疲劳研究 疲劳是一个古老而又年轻的分支，自沃勒将疲劳纳入科学研究的范畴至今， 疲劳研究已有一百多年的历史，但仍有方兴未艾之势。从整体上看，对疲劳问题 的研究尚属探索实验阶段，还没有一种满意的理论能解释破坏机理，只是从宏观 6 硕士学位论文 第一章绪论 上得出了一些规律。目前国内外对列车车体疲劳分析的相关资料比较少。本文对 列车车体疲劳分析借鉴了其他机械零部件的有限元模拟分析方法。西安电子科技 大学的任建峰分别以国军标中的冲击振动试验环境和随机振动试验环境为激励对 电力设备结构有限元模型进行了动力响应计算【3 9 1 。华北电力大学的张刘斗、刘衍 平采用p r o e 、a n s y s 软件建立了电力继保设备机柜的几何模型和有限元模型， 对机柜的静强度试验、刚度试验、动力强迫振动试验、共振试验、随机振动试验 和冲击试验进行了环境试验过程的数值模拟及分析研究，数值模拟的结果与试验 结果相吻合m 】。这种对试验过程进行数值模拟的方法为机柜结构的优化设计及动 态设计提供了可靠保障，可大大降低产品的研制、试验成本。 铁道部科学研究院、西南交通大学、北方交通大学以及兰州交通大学等单位， 适应国内外最新研究趋势，进行了疲劳寿命预测方面的探索。谢基龙对重载列车e 级钢钩舌、货车车轮辐板孔的疲劳裂纹扩展寿命预测进行了研究，基于单轴应变 疲劳分析提出了比例加载多轴应力状态下的疲劳寿命计算方法【4 1 半】。王成国、肖 仲谋、阳光武和刘德刚等人以计算机辅助设计，有限元法和多体动力学分析为基 础，通过数值仿真得到单位载荷作用下结构的应力分布，结合实测或者数值仿真 得到的载荷时间历程，根据准静态叠加法，运用疲劳分析软件( f e f a t i g u e 或 m s c f a t i g u e ) 预测结构疲劳寿命【4 5 - 5 0 1 。孟广浦与赵邦华等人借鉴钢结构疲劳 设计规范的计算方法，对2 0 9 转向架焊接构架进行了疲劳强度评剧5 1 】。清华大 学龙梁等人对某越野车计算模型进行频响分析，得到施加单位位移时关键部件的 应力响应，再结合路面位移谱得到了该车关键部件的应力响应谱，运用d i r l i k 方法 与随机疲劳理论计算部件疲劳寿命【5 2 彤 。 由于疲劳载荷谱、材料疲劳特性以及有限元仿真存在偏差，影响疲劳强度的 因素众多，疲劳寿命预测只能对零部件的疲劳强度与寿命进行粗略估计。对于对 疲劳寿命有明确要求的重要零部件来说，进行疲劳寿命计算后，还要进行疲劳试 验来验证计算结果。进行模拟服役环境下的疲劳试验是确定零部件寿命的精确方 法。 1 3 本文研究方法和研究内容 1 3 1 研究方法 根据所具备的研究条件，本文采用现场实验与数值模拟计算相结合的方法进 行。数值模拟方法基于三维粘性、可压缩、非定常n s 方程的数学求解模型，求 解车体内部流场。从而根据数值模拟计算结果，研建了“高速列车车体交变气动 载荷试验装置。车体是指列车车体侧墙、底架、车顶、端墙等；部件是指安装在 车体上的车窗等。现场试验就是在该试验装置上完成的。 7 硕十学位论文 第一章绪论 1 3 2 研究内容 随着高速铁路的快速发展，根据高速列车车厢内乘客舒适性和高速列车运行 安全性的需要，在广泛查阅大量相关文献的基础上，本文对车体内流场进行了细 致的研究，在此基础上，研建了一套“高速列车车体交变气动载荷试验装置 并 在该试验装置上进行了一系列的性能试验。 对车体内流场、高速列车车体交变气动载荷试验装置的研建和性能试验三大 部分的研究，本文分六章进行： 第l 章绪论 介绍本文的选题背景及意义、国内外研究现状、研究方法和研究内容。 第2 章数值模拟理论基础 介绍了关于车体内流场计算流体力学的相关理论。 第3 章车体内流场数值模拟计算 研究了充气和抽气过程中的车体内部流场状况和车体的丌孔大小对车体内部 流场的影响。 第4 章高速列车车体交变气动载荷试验装置研建 介绍了高速列车车体交变气动载荷试验装置的原理、模拟车体的设计、气路 系统设计、控制系统设计和数据采集系统设计。 第5 章高速列车车体交变气动载荷试验装置性能试验 介绍了高速列车车体交变气动载荷试验装置的改进试验、运行试验、重复性 试验和可靠性试验。 第6 章总结 总结了本文的主要研究结果及个人体会。 顶上学位论文 第二二章车内流场数值模拟理论基础 第二章车内流场数值模拟理论基础 计算机的出现给流体力学带来巨大影响，继理论流体力学、实验流体力学之 后，产生了第三种流体力学即计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf 1 u i dd y n 锄i c s ，简称 c f d ) ，也可称之为流体的数值模拟、数值仿真、数值计算或数值流体力学，即用 数值计算的方法求解用于描述流场流动的方程组，获得流场的有关信息。计算流 体力学是近代理论流体力学、计算数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强 大生命力的应用科学。它的出现及迅速发展使其成为与理论分析、实验相辅相成、 并驾齐驱的重要研究手段。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法， 对流体力学的各类问题进行数值模拟研究，以解决各种实际问题。计算流体力学 从基本物理定律出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在 科学研究和工程技术中产生巨大的影响【5 4 - 5 6 】。 c f d 的基本思想是：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，用一系 列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这 些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近 似值。c f d 方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题 的完整体系。理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰 可见，是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。实验测量方法所得 到的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础。 列车空气动力学数值模拟计算属于计算流体力学范畴，现已有多种用于列车 空气动力数值模拟计算的商用软件，诸如c f x 、s t a r c d 、f 1 u e n t 等，以及各研 究单位自行开发的专用软件。通常列车空气动力学的研究工作分为三类：探索性 研究、应用性研究及工程应用。探索性研究是指探索新的计算方法、新的网格技 术和新的流场显示技术等；应用研究是介于探索研究和工程应用之间的研究，其 目的是研究将探索阶段所提出的新方法或新技术应用于工程时，还有哪些环节需 要解决；工程应用则是实实在在地解决工程型号问题【5 7 - 5 9 1 。 列车空气动力学数值计算方法包括广义和狭义的两类方法【硎。广义方法包括 流动方程建立、各类求解方法和定解条件处理方法、计算结果后处理方法在内的 完整的系统方法。狭义方法则是某种具体的方法，如求解方法中的有限差分法、 样条函数法以及新近提出的非对称滑移网格法等。 数值计算方法具有速度快、周期短和比试验研究成本低且受到的约束条件少 等优点。因此，在列车空气动力学问题的研究中，列车车内外流场数值模拟计算 是不可缺少的重要手段。 o 硕士学位论文 第二章车内流场数值模拟理论基础 2 1 基本控制方程 压缩性是流体的基本属性，任何流体都是可压缩的，但当流体密度的变化对 流动影响可以忽略不计时，可以采用不可压流动假设，即密度为常数。一般情况 下，由于列车的运行速度与飞机相比较低( m a l 二 7 乡懈 1 7 硕十学位论文 第三章车内流场数值研究 以相同流量向模拟车体内充气，经过o 3 3 s 后，车体内的压力将达到4 0 0 0 p a 左右，不同孔径和不同流速情况下，各个监测点的压力计算结果见表3 2 。 表3 2 模拟车体充气过程计算结果 口径( n u n ) 1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 04 0 0 况 流速( m s ) 8 4 93 7 72 1 21 3 69 45 3 l i f j 4 1 9 2 6 04 1 6 5 5 74 1 3 1 9 74 1 3 0 1 74 1 1 7 3 24 1 1 4 4 8 2 撑4 1 9 1 3 4 4 1 6 1 8 3 4 1 3 1 8 44 1 2 9 9 1 4 1 1 6 0 64 1 1 4 9 9 3 i f j 4 1 9 2 4 94 1 6 6 1 64 1 3 2 0 14 1 3 0 1 74 1 1 7 3 24 1 1 4 6 4 4 撑 4 1 9 1 6 04 1 6 8 8 l4 1 3 1 7 44 1 2 9 9 34 1 1 6 0 44 1 1 4 9 5 5 4 1 8 5 9 44 1 6 2 9 84 1 3 0 0 64 1 3 0 6 84 1 1 6 1 04 1 1 7 4 2 6 j f j 4 1 9 1 “4 1 6 8 0 24 1 3 1 8 94 1 2 9 9 24 1 1 6 1 4 4 1 1 4 9 3 7 j ! j 4 1 9 2 4 54 l “0 44 1 3 2 0 24 1 3 0 1 74 1 1 7 2 44 1 1 4 4 9 8 f 4 1 9 1 5 84 1 6 7 6 54 1 3 1 8 34 1 2 9 9 54 1 1 6 2 1 4 1 1 4 6 8 9 j f i 4 1 9 2 4 34 1 6 4 5 24 1 3 1 9 94 1 3 0 2 l4 1 1 7 3 34 1 1 4 5 9 l o ! i 4 1 9 1 3 34 1 6 2 1 34 1 3 1 1 44 1 3 2 0 94 1 2 0 4 7 4 1 1 5 2 2 1 l i f 4 1 9 0 9 74 1 6 1 6 64 1 2 9 3 54 1 3 2 0 54 1 2 1 0 74 1 1 5 2 7 1 2 ! | 4 1 9 1 3 84 1 6 1 8 04 1 3 1 1 24 1 3 2 4 34 1 2 0 4 8 4 1 1 5 2 2 1 3 撑4 1 9 1 0 34 1 6 2 。4 74 1 2 9 0 94 1 3 2 1 7 4 1 2 0 9 84 1 1 5 2 7 1 4 f 4 1 9 5 3 84 1 6 2 7 44 1 2 9 6 84 1 3 5 2 64 1 2 3 3 04 1 1 5 3 4 1 5 撑4 1 9 1 1 64 1 6 0 8 04 1 2 9 6 94 1 3 1 8 94 1 2 1 1 l 4 】1 5 2 6 车内压 1 6 4 1 9 1 1 64 1 6 2 1 74 1 3 1 3 04 1 3 2 2 04 1 2 0 4 54 1 1 5 2 3 1 7 牟4 1 9 1 0 04 1 6 1 2 04 1 2 9 5 l4 1 3 2 4 84 1 2 1 0 54 1 1 5 2 7 力( p a ) 1 8 撑4 1 9 l - 3 84 1 6 1 3 64 1 3 1 2 24 1 3 2 2 04 1 2 0 4 54 1 1 5 2 1 1 9 撑4 1 8 7 9 l4 1 6 2 4 84 1 3 8 0 74 1 3 4 8 64 1 2 0 7 64 1 1 5 2 3 2 0 | 4 1 8 6 4 64 1 6 8 6 74 1 3 9 6 64 1 3 5 1 14 1 2 0 7 94 1 1 5 2 4 2 1 撑4 1 8 8 0 74 1 6 1 5 64 1 3 7 9 64 1 3 4 8 74 1 2 0 7 64 1 1 5 2 4 2 2 4 1 8 7 9 l4 1 6 7 8 64 1 3 9 4 64 1 3 5 0 84 1 2 0 7 9 4 1 1 5 2 4 2 3 撑4 1 9 2 5 64 1 6 3 0 04 1 4 6 8 l4 1 3 5 4 64 1 2 0 8 44 1 1 5 2 4 2 4 4 1 8 7 8 64 1 6 9 5 04 1 3 9 5 14 1 3 5 0 84 1 2 0 7 94 1 1 5 2 4 2 5 撑4 1 8 7 9 44 1 6 2 1 44 1 3 8 0 14 1 3 4 8 54 1 2 0 7 64 1 1 5 2 4 2 6 j ! j 4 1 8 8 1 84 1 6 8 0 94 1 3 9 4 34 1 3 5 0 74 1 2 0 8 04 1 1 5 2 4 2 7 撑 4 1 8 8 7 24 1 6 2 4 04 1 3 8 0 64 1 3 4 8 64 1 2 0 7 5 4 1 1 5 2 4 2 8 撑4 1 9 1 4 94 1 6 1 8 84 1 3 1 8 74 1 3 2 5 04 1 2 0 - 3 64 1 1 5 2 2 2 9 4 1 9 1 5 6 4 1 6 0 6 94 1 3 1 8 24 1 3 2 6 2 4 1 2 0 3 44 1 1 5 2 l 3 0 撑4 1 7 5 3 64 1 6 9 0 44 1 4 4 0 14 1 3 5 1 74 1 2 0 7 l 4 1 1 4 7 i 3 l 群4 1 1 9 5 0 4 1 6 7 1 24 1 3 9 6 9 4 1 3 4 9 64 1 2 0 7 84 1 1 5 2 5 3 2 撑4 1 9 1 4 84 1 6 1 9 34 1 3 1 8 34 1 3 2 5 14 1 2 0 3 6 4 1 1 5 2 2 3 3 岸4 1 9 1 5 5 4 1 6 0 8 24 1 3 1 8 94 1 3 2 4 9 4 1 2 0 3 44 1 1 4 4 8 从表3 2 中可以看出，向模拟车体内充相同的气量后，同一车体内各监测点 压力相差最大为7 5 8 8 p a ，同一个车体内最大不均匀度为1 9 0 ；不同孔径的车体 硕十学位论文第二章车内流场数值研究 内最大压力为4 1 9 5 3 8 p a ，最小的压力为4 1 1 4 4 8 p a ，相差为8 0 9 0 p a ，最大不均匀 度为2 0 2 ；同一车体内各个监测点压力大小较为一致；不同孔径的车体内各个 监测点压力大小较为一致。 3 3 1 2 模拟车体充气过程车内压力曲线 由于高速列车车体交变气动载荷试验装置的主气源选用的是一台三叶罗茨鼓 风机，三叶罗茨鼓风机在恒定的转速下，其进气流量是恒定的，在本次数值计算 过程中，进口的流速是恒定的，即车体内进气量是恒定的，不断给车体充气，车 体内的压力随时间发生变化，孔径2 0 0 m m 的车体充气过程中体内典型监测点压力 随时间变化曲线如图3 2 所示，孔径分别为1 0 0 1 1 1 m 、1 5 0 m m 、2 0 0 m m 、2 5 0 n u n 、 3 0 0 m m 、4 0 0 m m 的车体内的1 4 挣监测点压力随时间变化曲线如图3 3 所示。 一5 # 监测点一 一l l # 璐测点； 1 3 # 监捌a ： 一 4 # 监测点 一1 5 # 监荆点 l7 # 监测点1 - 2 3 # 监测点 2 f j # 监测点 图3 - 2 孔径2 0 0 i n m 的车体充气过程中 体内典型监测点压力随时问变化的曲线 。_ 。_ _ _ _ _ - - 。- 一孔径l ( o 删 一孔径1 5 0 l l _ i 孔径2 0 0 孔径2 糸l 删 一孔释3 0 0 m 孔径4 0 ( 1 图3 3 不同孔径的车体内 监测点1 4 槛力随时间变化曲线 从图3 - 2 可以看出，同一车体内典型监测点( 5 、1 1 撑、1 3 群、1 4 挣、1 5 撑、1 7 群、 2 3 挣、2 8 j f i 监测点) 的压力随时间呈线性增加。从图3 3 可以看出，不同孔径的车 体内1 4 j f | 监测点的压力随时间呈线性增加；在充气流量恒定时，孔径大小