文档介绍：博士学位论文
高速车辆脱轨非线性动力学及其动态仿真
DYNAMICAL SIMULATION OF HIGH SPEED
VEHICLE DERAILMENT AND ITS NONLINEAR
DYNAMICAL
王伟
哈尔滨工业大学
2009 年 12 月
国内图书分类号: 学校代码:10213
国际图书分类号:629 密级:公开
工学博士学位论文
高速车辆脱轨非线性动力学及其动态仿真
博士研究生:王伟
导师:李瑰贤教授
申请学位:工学博士
学科:机械设计及理论
所在单位:机电工程学院
答辩日期:2009 年 12 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index:
: 629
Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
DYNAMICAL SIMULATION OF HIGH SPEED
VEHICLE DERAILMENT AND ITS NONLINEAR
DYNAMICAL
Candidate: Wang Wei
Supervisor: Prof. Li Guixian
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Mechanical Design and Its Theory
Affiliation: School of Mechatronics Engineering
Date of Defence: December, 2009
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
我国内陆深广、人口众多,高速铁路高效、快捷运输方式最有利于解决大
规模人口流动。高速铁路的发展促进了国民经济,带动了沿线城市间的经贸交
流,标志着一个和自主创新能力。
高速铁路是对常规铁路的突破和挑战,由于车辆速度的提高,轮轨间动力
学问题愈显突出,不仅影响乘客乘车舒适度,也会引发车辆脱轨的安全事故。
高速车辆脱轨会造成更大的人员伤亡和财产损失,由于高速轮轨强烈的动态及
耦合作用,高速条件下脱轨与低速条件下有很大的不同,目前高速动态脱轨研
究还处在起步阶段,研究高速车辆脱轨动力学问题迫在眉睫。本文针对高速车
辆脱轨行为开展了研究,建立了适合脱轨分析的高速车辆轨道耦合动力学模型,
研制了高速车辆动态脱轨仿真系统,研究高速车辆动态脱轨行为及其非线性动
力学行为等问题。
脱轨是车辆极端动力学行为,在脱轨过程中轮对运动状态十分丰富,轮轨
间存在着复杂接触状态,需要建立适合脱轨分析的轮轨耦合精确动力学模型。
在轮轨接触几何模型中,改进三维轮轨迹线算法求解不同线路、不同接触状态
下轮轨接触几何参数;在建立轮轨蠕滑力模型中,通过分析常见蠕滑力模型不
适合脱轨蠕滑力计算,基于 改进后新模型进行了脱轨蠕滑力分析;在
轮轨法向力模型中,根据轮轨接触区的划分,在轮缘接触区使用有限元软件
LS-DYNA 精确计算轮轨接触法向力,通过与 Hertz 理论结果对比提出法向力修
正系数,修正 Hertz 理论在轮缘接触区的法向力误差。高速车辆的动力学模型
增加了车辆悬挂系统的非线性因素以及由于速度和蠕滑状态引起的摩擦系数变
化,在此基础建立了 31 个自由度的车辆轨道耦合动力学脱轨模型。
仿真是进行脱轨研究的重要手段,基于高速车辆轨道耦合动力学模型,研
制出高速车辆动态脱轨仿真系统,给出了仿真系统总体结构划分和关键轮轨接
触子系统的计算流程。通过分析爬轨阶段的特征量和轮轨碰撞跳轨的临界速度,
提出了预判脱轨发生的两个临界条件和脱轨判断子系统的实现算法。在对各个
仿真子系统研制基础上,设计了高速车辆动态脱轨仿真系统的计算流程和功能
实现。基于高速车辆动态脱轨仿真系统,得出了动态爬轨、跳轨的发生过程,
影响脱轨的关键因素,提出不同参数下脱轨发生的边界条件和车辆安全行驶条
件,将脱轨事故按原因归纳为三类,给出相应的预防措施。
I
哈尔滨工业大学工学博士学位论文
高速车辆非线性因素在动力学中作用更加明显,需要完善车辆系统的非线