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列车运行速度的提高,动力作用的加剧,不仅对动车组和线桥隧的设计、制造、建设和运
行管理提出了更高要求,而且需要开展与高速列车运行相适应的车辆系统、轮轨关系、弓网
关系和流固耦合关系的研究.因此,传统的车辆系统动力学应该拓展到与列车运行相关的因
素和领域,全面开展以高速列车为对象,考虑线路、接触网和气流耦合作用的高速列车耦合大
系统动力学的研究.
系统的基本组成:
高速列车耦合大系统动力学的概念,研究的主体从车辆系统拓展到列车(高速动车组),同时考
虑高速列车与线路、接触网和气流的相互作用.高速列车耦合大系统动力学以轮轨相互作用
模型为基础,以传统的车辆系统动力学为核心.向上,通过弓网关系,研究接触网系统的振动问
题和接触网与受电弓的匹配关系;向下,通过轮轨关系,研究车-线耦合振动问题;周向,通过流
固耦合关系,研究气流和列车的相互作用.高速列车耦合大系统的基本组成除了包括线路、列
车和接触网外[1],还应考虑空气作用,通过轮轨关系、弓网关系和流固关系实现各子系统之间
的耦合.高速列车耦合大系统框架如图1所示.
图1高速列车耦合大系统框架
系统特殊性:
研究铁路系统需要解决如下3个基本问题:
(1)尺度效应.对于列车,长度少则几百米,多则几千米,支撑列车并传递牵引或制动力的轮轨接
触斑,仅几毫米到十几毫米,尺度的比例达到百万倍.这样的尺度差别不仅给精确建模和计算
带来难度,而且也给试验研究带来困难.
(2)时间效应.机车车辆的服役周期一般为25~30a,其性能随运用时间的增加而改变.引起性能
蜕化的因素除结构失效外,更多的是参数的时变特性.时变还给系统建模、表征和实验研究带
来困难.
(3)空间效应.我国幅员广阔,列车东西南北穿行,长途跋涉.这种空间上的跨度,造成线路结构
(线桥隧)千变万化,温度、湿度、气压、风沙、冰雪和紫外线等都会一日三变,需在系统表征
和研究中考虑.铁路系统存在轮轨关系非线性,线路结构和环境还存在随机因素和随机干扰.
由于研究中存在客观障碍,以至于至今无法对铁路系统进行精确建模.复杂混合系统的精确建
模、高维非线性系统的运行稳定性和随机振动研究,是对传统的高速列车系统动力学的挑战,
也是未来发展的方向.
系统模型:
高速铁路系统是由弹柔性体(接触网)、多刚体(主要指机车车辆结构)、连续弹性体(钢轨)、离
散体(枕木)、板壳(板式轨道)、非规则碎散堆积体(石碴道床)和土结构(路基)组成的混合系统,
列车又与流体(空气介质)相互作用.高速列车耦合大系统动力学研究,突破传统的建模方式,实
现复杂混合系统的一体化建模.一方面,要考虑系统的耦合作用,建立考虑线路、列车、接触网
和气流子系统在内的大系统模型;另一方面,应考虑由多体和多态组成的混合耦合系统的系统
建模.
列车是通过轮轨接触点和弓网接触点与线路和接触网实现耦合的,因此在建立高速列车
耦合大系统模型时,可采用子结构方法,分别列出接触网、受电弓、动车组、钢轨、线路和气
流的运动微分方程,考虑各子系统之间的运动和力的耦合作用.按上述思路建立的模型框架如
图2所示.列车系统的动力学模型由车辆模型组成.车辆模型一般采用多刚体模型.实际上,轮
对、构架和车体的弹性作用均会影响车辆的振动响应.为了建立车辆的精确模型,将车辆的主
要结构件建成弹性体模型,考虑结构的弹性作用,建模和仿真方法可采用有限元直接积分方法,
也可将弹性体描述成模态缩减模型,以减少弹性体的计算自由度.由于高速列车车与车之间存
在耦合减振系统,所以,在建立车辆模型的基础上,通过车端力的耦合作用,形成列车系统的运
动方程.
接触网可用弹柔性体结构模型.虽然受电弓本身是结构体,但一般可简化为等效的多刚体
模型.弓网之间通过接弓网接触压力实现耦合作用.由于受电弓的质量较小,在车辆振动计算
中可忽略受电弓的作用[9].受电弓基座固结在车体上,车体的振动状态影响到受电弓的行为,
需通过协调受电弓基座的位移和车体的位移实现相互耦合作用.
车辆与钢轨间通过轮轨相互作用力实现耦合.蠕滑力一般采用具有非线性特征和考虑自
旋影响的沈氏模型[10].钢轨一般采用弹性梁模型,常用欧拉梁模型[11].但随着列车速度提高,
高频振动增强,应该采用更加合理的铁木辛柯梁模型.
现有的线路结构动力学模型,一般将线路简化成多体系统[11].高速铁路通常采用高架方
式,线路是桥梁结构.此时线路模型应为考虑桥梁弹性的计算模型.由于高速铁路的接触网架
设在桥上,在接触网模型中还应考虑与桥振动的耦合作用.
空气模型可
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