列车风与自然风联合作用下的车—桥耦合振动分析

【摘要】： 横向风作用下高速列车在桥上运行时，由于列车风的作用，在列车头尾部必然产生比较明显的三维流动，同时列车中部流场也会因列车运动而受到一定的影响。为研究列车风对车桥耦合振动的影响，建立了同时考虑列车风和横向风作用及轨道不平顺影响的车桥耦合振动分析模型。 本文从以下几个方面对该分析模型进行了详细的研究： 1、利用大型商业流体计算软件FLUENT，采用多重参考系法计算德国ICE高速列车在铁路桥上运行时流场的稳态解。研究表明：列车风对车桥系统流场的影响主要体现在列车头部的排挤作用，列车尾部的拖曳作用，列车尾部存在一个较强的旋涡，对列车尾部的影响区域更大更强，对列车中部流场的影响基本可以忽略。列车风对列车的阻力、横向力、升力、摇头力矩影响较大。列车风的作用使得整个列车产生一种向上提升和向横风向摇头的作用。列车风对头尾车附近区域桥梁的气动力有比较明显的影响。 2、在轮轨三维非线性接触几何关系上，考虑了桥梁振动对蠕滑率、轨道空间位置的影响，并引入了沈氏理论对轮轨接触蠕滑力的非线性修正。 3、建立了综合考虑横向静风、列车风、轨道不平顺的车桥耦合振动分析模型，实现了在每一迭代时间步准确计算轮轨接触几何参数，提出了轮轨接触点的绝对空间位置和接触力唯一的车桥系统分组迭代收敛准则。在每一迭代步计算每节车辆的响应时采用车辆加速度残差范数与加速度范数之比控制迭代收敛。 4、以德国高速铁路标准简支梁桥为例，研究了列车风对高速铁路中小跨简支梁桥车桥耦合振动响应的影响，并采用轮轨接触点在车轮、轨头上的横向位置时程曲线进行了研究。分析表明：列车风对车桥耦合振动的影响主要体现在车辆的安全性上，列车风对桥梁振动的影响完全可以忽略。虽然列车风对车辆的轮重减载率、脱轨系数、横向水平力有一定程度的影响，但车辆振动的各项指标均远小于控制指标，因此从这个意义上看可以不考虑列车风对简支梁桥车桥耦合振动的影响。 5、以日本新干线上的屋代南桥为例，研究了列车风对大跨度桥梁车桥耦合振动响应的影响，并采用轮轨接触点在车轮、轨头上的横向位置时程曲线进行了研究。分析表明：列车风对车桥耦合振动的影响主要体现在头尾车的安全性上，列车风对桥梁振动的影响基本可以忽略。列车风显著增大了头尾车的轮重减载率、脱轨系数、轮轨横向水平力。提高桥梁的竖向刚度可以明显减小车辆的竖向加速度、竖向Sperling指标和桥梁的竖向位移、竖向加速度，对车辆和桥梁的横向振动基本没有影响，体现了车桥耦合振动中竖向和横向振动的弱耦合特性。