基于ANSYS的轮轨激振对高速列车车体动力学性能研究

王发刚　胡士华

摘 要：交通强国，铁路先行。铁路作为国民经济的大动脉，关乎着国民经济的发展，民生的需求。目前，我国高铁运营最高时速达350km/h，是世界上高铁运营的最高时速。随着速度增加，轮轨间的作用力会增大，轮轨间会产生高频振动，会通过转向架传递到车体。此外，当高铁时速达350km/h时，百分之八十的动力用于空气阻力，如果车体没有具有足够的强度，强大的气压会压扁车体，所以研究高强度的车体成为各国研究的重点。本文利用ANSYS软件分析高速列车动力学性能，并提出对车体结构的优化参数。

關键词：高速列车车体 车体动力学

Study on the Dynamic Performance of High-speed Train Body based on ANSYS Wheel-rail Excitation

Wang Fagang，Hu Shihua

Abstract：To strengthen a country through transportation， the development of railway must be put on the first place. As the main artery of the national economy， the railway is related to the development of the national economy and the needs of the people's livelihood. At present， the maximum speed of China's high-speed rail operation reaches 350km/h， which is the highest speed of high-speed rail operation in the world. As the speed increases， the force between the wheels and rails increases， and high-frequency vibrations are generated between the wheels and rails， which are transmitted to the body through the bogie. In addition， when the speed of high-speed rail reaches 350km/h， 80% of the power is used for air resistance， if the car body does not have enough strength， strong air pressure will flatten the car body， so the study of high-strength car body has become the focus of research in various countries. In this paper， ANSYS software is used to analyze the dynamic performance of high-speed trains and propose optimization parameters for the structure of the car body.

Key words：high-speed train body， car body dynamics

1 引言

交通强国，铁路先行，铁路是国民经济的大动脉，关乎着国家经济发展，民生的需求。人民群众对高速铁路的需求伴随着经济的发展也越来越高，高速铁路也因为速度快、高舒适性、安全性高和节能备受关注。中国是“一带一路”倡议的提出国，沿线国家的群众共享中国智慧和中国方案，带动着沿线国家经济发展。高铁已成为中国一道亮丽的名片，中国高铁走出去，让更多的国家享受到中国科技的进步带来的便利，高铁的走出去有利于提高我国的国际影响力，为世界经济的发展贡献中国力量和中国智慧，极大提高我国国际影响力。我国高铁技术遥遥领先于世界各国，站在世界的顶峰也会带来新的挑战，如何再取得重大突破成为一道难题。只有不断自我完善、自我革新。以技术立身，才为国家的发展创造机遇。我国高铁最高运营时速达350km/h，高铁80%的动力用于克服空气阻力。巨大的空气阻力给高速列车的车体带来严峻考验。同时由于轮轨激振，通过转向架传递到车体，引起车体振动，这对车体的平顺性有了越来越高的要求。因而，高强度铝合金高速动车组车体已成为高铁九大关键技术之一，强度高，质量轻的，刚度大的铝合金车体已成为各国研究的重点。目前，理论研究、物理试验和计算机仿真是研究车体强度的三个主要方法。研究车体强度时，不单单进行车体的理论研究，还要通过计算利用软件模拟和物理测试的方法进行研究。由于动车组整体造价很高，每次试验车都是用整车来进行研究的强度试验难度很大，并且成本很高。所以，研究动车组车体时并不是新建实验线路，制造实验车进行实验，测试车体的强度设计标准和刚度设计标准，这样设计成本就会急剧增加。而是根据多年研究总结的设计经验，设计合理的动车组车体方案，然后对方案进行强度和同步失效标准检测。高速动车组车体的动力学也是动车组结构设计的重要问题。动车组高速运行，轮轨与轨道之间的振动频率会随着车速的增加而增加，轨道和动车组车轮之间的作用力也会随着增大而产生高频振动，由于转向架构架与车轮、一系悬挂相连接，导致转向架发生共振，共振会通过二系悬挂传递到车体，车体高频成分增加，车体的各部分零件振动会更加强烈，会严重影响乘客的舒适性。

2 高速列车车体建模

2.1 有限元法核心思想

有限元法计算过程是将连续的整体划分成一定离散单元，是把复杂的结构变成有限的单元组成的整体，再对这些有限的单元分别进行分析计算，然后原来的整体结构分析通过这些有限元重新进行组合分析代替，从而简化了计算分析的工作量但是有限元分析会得到与原来复杂整体结构数值的近似数值解。工程、机械、电气等领域也应用有限元分析解决所遇到的问题。有限元法目前是计算辅助工程系统中分析计算能力最强的方法。由于有限元法应用领域极其广泛，使得有限元法是应用次数最多分析的方法。从力学角度来分析，有限元是以位移的方法为基础，对整体结构进行单元化来计算应力和位移。一般包括有有限元前处理、有限元分析计算和有限元后处理三个步骤。

2.2 ANSYS软件

有限元分析中应用最为广泛的软件是ANSYS，ANSYS也是有限元分析中功能最强大，分析功能最强的软件。可以进行系统的静力分析，结构非线性分析、声场分析和热分析等。ANSYS软件功能强大，可以进行多种有限元分析计算，构建模型操作性简单，方便快速建模。利用ANSYS软件建立有限元分析模型不仅可使设计成本极大降低，建模快速便捷可缩短设计产品时长，而且分析结构功能强大并且稳定。主要有静力分析，屈曲分析和模态分析等结构分析分析。基本未知量為网络节点的位移值，可参照有限元理论通过节点位移导出应力、应变和反作用等。除了位移值的结果，结构分析的其余结构都是节点位移的派生值。利用ANSYS软件分析有限元模型时，判断分析的结果与实际结果是否正确，只要检查位移值就可以了，而不是通过多方面数据对比，检查位移值正确无误则说明结果正确无误。本文研究车体高速列车车体动力学性能是利用ANSYS软件进行分析的。

2.3 高速列车车体有限模型建立

高速列车车体是高铁九大关键技术之一。高速动车组采用的是铝合金车体，采用的是三角框架结构，动车组运行环境有晴天、暴雨、风沙等特殊恶劣环境，动车组高速运行时受到的风压很大，在利用有限元软件建立动车组车体模型时要精密。在利用有限元软件对高速列车车体建模时采用FEA模型，平面模型不能准确体现动车组车体建构，需要建立三维模型。建模第一步需要确定动车车体的材料（动车组车体材料采用铝合金）和车体型材的断面（采用三角框架结构），第二步对动车组车体中缅抽取并进行集中处理，最后一步是利用有限元软件HyperMesh对动车组车体建立模型。动车组在高速运行时受到的强大的风压，为了对抗风压，保证安全运行，动车组车体是一个复杂而庞大的结构，要想建立高精确模型是十分困难，工作量巨大，所以建立的动车组车体模型与高速列车实际车体结构会有所差别，但是对仿真结果影响不大。对于一些细小的结构，如果对其细致描述，会增大建立模型的难度，控制网络节点的数目也难以控制，影响计算精度的精确度。所以需要对车体进行适当简化，简化的同时要保证主要力学特性为基本原则，简化程度以分析目的为主。本文利用ANSYS软件在建立高速列车车体有限元模型时，车体的结构与实际的高速列车车体结构相比会有适当的简化，这些简化不是随意的，是按照高速列车车体的结构在不影响有限元分析结构的情况下适当简化。高速列车车体简化主要包括：车体结构截面形状简化、省略非承载式件、简化倒角和细小圆角和结构表面光顺化。

3 高速列车多刚体系统动力学模型建立

高速列车车辆是由车体、转向架构架、轮对、一系悬挂和二系悬挂等组成，包括弹簧、阻尼以及质量的系统，是一个复杂并且多自由度系统。车辆的零部件复杂，种类繁多，要进行详细的建模是很困难的，需要简化假设。分析动力学性能的方法是详细模型数值积分。

3.1 CRH3型动车组转向架

CRH3型动车组转向架是长客股份引进德国西门子公司的SF500高速转向架。SF500高速动车组转向架由整体动车轮对、一系悬挂装置，轴箱定位装置、横向终点止动装置、二系悬挂装置、横向悬挂装置、抗蛇形减震器、空气弹簧连杆、扛侧滚扭杆组成、动力转向架构架、轮盘制动组成、牵引拉杆组成、牵引电机组成、牵引电机通风装置、天线组成、感应接收装置、轮缘润滑组成和撒沙和排障器组成。动车组构架采用双H形钢板压型焊接结构材质为低合景高强度耐候钢。转向架一系悬挂主要部件有双螺旋钢弹簧、垂向减震器和柔性橡胶垫转臂定位，一系悬挂可以减小转向架构架由于轮轨间中作用力引起的高频振动。二系悬挂的主要部件有枕梁+高柔性空气弹簧、扭杆、高柔性空气弹簧、横向减震器、Z型拉杆牵引、1点式高度控制和抗蛇形减震器，主要作用是减少车体的高频振动和蛇形运动，减少车体的振动和增加舒适性。

3.2 高速列车车体动力学建模基础思想

科技革命以来，计算机技术迅猛发展，应用领域越来越广。各种有限元分析商业化软件功能也随着计算机技术的发展越来越强大，很多有限元分析先进的建模方法得到应用和发展，提高高速动车组动力学建模仿真计算的准确性。多体系统动力学软件也为了适应车辆动力学习的发展也朝着多学科、多交叉方向发展，如逐步与MATLAB等仿真语言相结合。

3.2.1 高速动车组动力建模仿真计算方法

高速列车车体系统动力学发展建模有一下几个步骤：

（1）建模时要对实际高速列车车体进行简化，省略次要因素，抓住车体主要特征。关键的细节如高速列车车体结构特点等关键细节要包含有。

（2）高速列车行驶时的数学模型相当于创建高速列车行驶的动力学模型。高速列车的车体刚度、转向架构架、轮对等结构具有高刚度的特点，其刚度会比悬挂系统大很多，处理方法是列车系统考虑为多刚体系统。

（3）对车体进行动力学仿真研究时借助大型商业化仿真软件或者编写或者开发相关软件进行。

（4）要对获得数据进行有效的后处理，输出仿真所需的各项数据结果并对放分结果合理解释。

3.3 高速列车多刚体动力学仿真模型的建立

在多体力学建模软件ADAMS中创建高速列车车体动力学模型。利用ADAMS软件可以建立高速列车仿真模型，便于分析计算列车动力学模型。

3.3.1 常用物理模型

目前，采用以下几种物理模型研究高速列车车体动力学性能，用于研究动车组蛇形运动的特性和其发生失稳临街速度的大小用高速列车蛇形稳定模型；高速列车通过曲线是的动力学性能指标用高速列车曲线通过模型；分析高速列车由于轨道不平顺等各种外界条件引起不平顺输入响应采用高速列车行驶的横向动力学模型和垂向动力学模型。

3.3.2 轮轨振动激励

高速列车在高速行驶的过程中，轮对在轨道转动，会造成轮对和轨道产生振动，是轮轨振动的主要原因，同时会产生激扰作用。由于轮轨在轨道高速旋转，时间久了轨道和轮对自然会产生磨损。轨道采用无缝钢轨，为了保证高速列车运行的平稳性，其焊接处高度不超过一根头发丝。车轮出现损耗缺陷影响运行时，拆下来维修或者更换相比更换轨道的成本会低很多，因此对高速列车中间进行建模仿真时，只需要考虑轨道的关键因素。

为方便研究高速列车动力学仿真分析，并且轨道由于地势存在着水平高低不同，线路也不可能修成直线。确定激励可用准确的形式表达线路高低、方向和水平不平。非确定的激励是随机发生变化的，难以进行确认。对于这些非确定的激励，只有反复对轨道线路进行实地测量把数据并记录下来，找到相应规律，并且采用一些运算方法来应用这些轨道不平顺。本文采用德国高干轨道谱。

空间频率F或者空间波束O一般在在国际上被用来对轨道不平顺进项表达。时间频率f与时间波束w之间的关系表达如下：

F=f/vO=w/vO=2pF

其中，v-列车运行速度。

4 高速列车动力学性能评定指标

在修建高速铁路线路时，由于地面高度起伏不定，各国修建铁路线路不同，德国、法国、日本等国采用的是直接在地面修建，地势高的地方挖平、地势低的地方采用填补方式。我国与国外不同，采用的是架桥，即在地面修建好桥，在桥上铺设钢轨。这样可以解决地势起伏不定，降低修建成本，也可节约使用土地成本。但由于车体本身的结构特点，轨道不可能修建成整个线路都是水平的，会存在一定的落差。高速列车在轨道上高速运行时，由于轨道存在一定的落差或者转向，因而会产生不同类型的轨道不平顺。由于车轮与轨道直接接触，这些不平顺就会经车轮传递到转向架，再由转向架车体到车体上，就会引起车体的各部件引起不同的振动，就会导致车体各部件发生相对位移或者加速度。研究车体动力学时，考虑线路不平顺和轮轨作用力的同时，也要考虑车体自身结构特点和各种动力学参数。研究车体动力学时把车体看作刚体，车体的变形比悬挂系统的弹性变形小很多。

高速列车在轨道上运行时，往往要考虑高速列车在直线运行时的平稳性、曲线通过性能和抗蛇形运动。所以评定高速列车动力学性能时，要评判上诉三个性能。我国对客车动力学仿真分析是参照GB/T5599-1985 《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》，主要评判以下3个指标：（1）机车车辆在直线运行时，在外界因素干扰作用下的车体垂向最大振动加速度与平稳性指标和横向最大振动加速度与平稳性指标；（2）铁道车辆发生蛇行失稳时临界速度；（3）铁道机车车辆进行曲线通过时动力学性能指标。

5 高速列车动力学优化研究

高速列车车体动力学性能取决于转向架悬挂参数之间的相互匹配，高速列车车轮与一系悬挂存在向、纵向、横向弹性定位作用。转向架与高速列车车体通过二次悬挂装置相连接，因此高速列车车体的重量全部加载在转向架上。此外，转向架与空气弹簧组合控制车钩的高度，因此需要调整的高速列车车体刚度不大。

一系纵向定位刚度值的增长会导致车辆直線运行时脱轨系数变小。车辆曲线通过脱轨系数与车辆直线运行时脱轨系数成正比例关系，即会随着一系纵向定位刚度值的增长而变大，但不是一直随着车辆直线运行时脱轨系数增大而增大，当增大到一定值后增长速率会降低。只有在一定范围内，一系纵向定位刚度值适当增加，对车辆的直线运动特性提高提高有促进作用。但这也会导致列车通过曲线是的最大轮轨作用力，轮轨作用力增加会不利于列车通过曲线，增加脱轨风险，同时也会增加车辆的磨损，增加维修成本。通过实验得出：一系纵向定位刚度值为15MN/m合适。

课题来源：广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“基于SIMPACK和ANSYS的轮轨激振对高速列车车体动力学性能研究”（2022KY1408）。

参考文献：

[1]孙光奇.高速列车车体强度与动力学分析[D].大连交通大学，2016.

[2]王蕾.转向架构架随机振动疲劳强度分析[D].大连交通大学，2019.