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考虑车体柔性的车—桥动力响应分析及行车舒适性影响因素研究

王英杰  
【摘要】:目前,提高车辆的运行舒适性已经成为高速铁路设计人性化的重要体现。随着高速铁路运营速度的不断提高,列车与线路结构物之间的动力相互作用显著增大,引起车体振动恶化,造成旅客乘坐舒适度的显著下降。由于车辆设计和制造技术的进步,铝合金或不锈钢等新型材料的广泛使用,在满足车体结构强度要求的条件下,车体结构的承重量已大幅下降。但是,过分追求车体结构的轻量化,往往会导致车体刚度不足,致使车辆弹性振动加剧,从而导致车桥系统动力响应规律发生变化,并对车辆运行舒适性产生影响。因此,在车桥动力相互作用理论日趋完善的今天,车桥系统精细化分析建模、柔性车体参振等问题已成为研究的热点。本文采用车辆柔刚体系统动力学理论,建立了考虑车体柔性的车辆-桥梁动力相互作用分析模型,研究桥梁共振、线路不平顺激扰、车体弹性共振等因素对车辆运行舒适性的影响,以期为高速铁路安全、舒适运营提供理论依据和科学参考。鉴于以上原因,本文主要研究内容包括: (1)分析车辆运行舒适性影响因素并研究舒适性评价方法之间的关系。从车桥耦合系统的角度出发,分析影响车辆运行舒适性的关键因素,如线路结构振动、线路不平顺激扰、车辆振动特性等;介绍车辆运行舒适性评价方法,如车体加速度指标、Sperling平稳性指标和ISO 2631评价方法等,并指出本文所采用的评价方法;结合我国高速铁路动车组实测车体振动加速度数据,运用最小二乘法通过数据拟合得到Sperling平稳性指标和ISO 2631舒适度指标之间的关系。 (2)建立考虑车体柔性的车-桥动力学模型并进行验证。将车体视为由二系悬挂支承的均质等截面欧拉梁,转向架和轮对均视为刚体,采用车辆柔刚体系统动力学理论建立了考虑车体柔性的车辆刚柔耦合系统垂向动力学模型;采用模态叠加法考虑桥梁变形,运用同步耦合法建立了考虑车体柔性的车桥系统运动方程,编制了车-桥动力分析程序,并进行了理论验证和实测验证。 (3)研究桥梁共振对柔性列车运行舒适性的影响。利用考虑车体柔性的车-桥系统动力模型,研究了高速列车通过简支梁和两跨连续梁时车桥系统动力响应特性,揭示了桥梁主共振和次共振现象,分析了桥梁阻尼对桥梁振动、车辆振动、车辆运行舒适性的抑制作用,最后探讨了桥梁共振对车辆运行舒适性的影响。 (4)研究谐波激励对柔性列车运行舒适性的影响。研究了谐波不平顺激励下柔性车体共振机理,给出了车体振动的消去条件、车体的弹性共振条件;将谐波不平顺作为车桥系统激励源,利用考虑车体柔性的车-桥系统动力模型,研究了谐波不平顺激扰下车桥系统振动特性,探讨了桥梁共振、车体弹性共振等因素对车辆运行舒适性的影响。 (5)研究随机激励对柔性列车运行舒适性的影响。将随机不平顺作为车桥系统激励源,利用考虑车体柔性的车-桥系统动力模型,研究了随机不平顺激扰下车桥系统振动特性,分析了随机不平顺激扰对车体弹性振动的影响,探讨了桥梁共振、车体弹性共振、车体刚度(一阶弹性自振频率)等因素对车辆运行舒适性的影响。


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