交會壓力波作用下的高速列車動態(tài)響應(yīng)及機(jī)理研究

交會壓力波作用下的高速列車動態(tài)響應(yīng)及機(jī)理研究隨著我國高速列車的不斷發(fā)展,很多在以前低速列車運(yùn)行安全性上被忽略的空氣動力學(xué)問題,開始受到研究者越來越多的重視。這些空氣動力學(xué)問題主要有氣動阻力問題、橫風(fēng)效應(yīng)、隧道效應(yīng)、會車效應(yīng)等。其中關(guān)于會車效應(yīng)方面的研究主要集中于三個方面：1、交會壓力波的基本特性；2、交會壓力波對列車運(yùn)行穩(wěn)定性的影響；3、交會壓力波對列車車體和側(cè)窗安全性的影響。關(guān)于第三方面的現(xiàn)有的研究還局限于根據(jù)交會壓力波對側(cè)窗或包含局部車體的模型研究的結(jié)果來評估車體和側(cè)窗的安全性。這些安全性評估方法對于低速列車的鋼結(jié)構(gòu)的列車交會安全性評估不會產(chǎn)生較大誤差,但隨著隨著交會速度的提升帶來的交會壓力波強(qiáng)度的增加以及車身輕量化引起的車體結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)的加大,這樣的評估方法就可能忽略了車體結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)對側(cè)窗和車體安全性的影響。本文的工作主要著眼于高速列車受交會壓力波作用下的整體動態(tài)響應(yīng),及其對側(cè)窗安全性的影響。我們通過有限元方法研究了列車中間車廂模型受交會壓力波作用下的動態(tài)響應(yīng)和側(cè)窗安全性評估問題。進(jìn)而,采用有限元計(jì)算和理論分析相結(jié)合的方法,通過理論簡化模型對列車車體受交會壓力波作用下的動態(tài)響應(yīng)的特征和機(jī)理進(jìn)行了研究。論文的具體研究工作總結(jié)如下：(1)高速列車側(cè)窗受交會壓力波作用的有限元分析建立了兩種高速列車車型CRH2和CRH3的中間車廂的有限元模型,模型包含三種工況：移動壓力波、均布動載和靜載荷。對于CRH2模型的研究發(fā)現(xiàn),靜載荷工況下的側(cè)窗應(yīng)力結(jié)果低于其他兩種。而對于均布動載下的側(cè)窗應(yīng)力,在較低交會速度時,比移動壓力波作用下的側(cè)窗應(yīng)力高,而隨著交會速度的提高,則開始低于后者作用下的側(cè)窗應(yīng)力。因此,在高速交會的情況下,必須考慮交會壓力波的影響。對于CRH3模型的研究,得到的結(jié)果與CRH2模型的類似。不過其均布動載工況下的側(cè)窗應(yīng)力值與移動壓力波工況下的側(cè)窗應(yīng)力值之間的大小關(guān)系的轉(zhuǎn)變速度高于CRH2的情況,并且其均布動載工況下的側(cè)窗應(yīng)力最大值與移動壓力波下的側(cè)窗應(yīng)力最大值的相對誤差只有6%,因此,對于CRH3車型來說,可以用均布動載工況下的結(jié)果來評估側(cè)窗受交會壓力波作用時的安全性。(2)半無限梁受移動脈沖作用的有限元分析由于列車車體的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,很難對其內(nèi)部產(chǎn)生的彎曲波進(jìn)行研究。本章建立了相應(yīng)的簡化模型,即半無限梁受移動單周期正弦脈沖載荷作用的有限元模型。對于相同的脈寬,移動脈沖存在臨界速度,梁中的最大等效應(yīng)力的平均值在移動脈沖以該速度移動將達(dá)到其最大值。臨界速度隨著移動脈沖脈寬的增加而減小,但在移動脈沖達(dá)到臨界速度時的最大等效應(yīng)力的平均值隨脈寬的增加而增加。梁中最大彎曲程度出現(xiàn)的位置會隨著移動脈沖的作用而逐漸遠(yuǎn)離移動脈沖作用區(qū)域。梁中最大等效應(yīng)力隨位置波動的機(jī)理也作了一定的分析。我們采用量綱分析得到了關(guān)于臨界速度和影響臨界速度的因素的經(jīng)驗(yàn)公式。結(jié)果表明臨界速度只受彈性波波速、橫截面回轉(zhuǎn)半徑和脈寬的影響。(3)半無限(或無限)梁受移動脈沖作用的理論分析由于數(shù)值計(jì)算分析的局限性,本章將采用理論分析對簡化模型進(jìn)行研究?；贐ernoulli-Euler梁理論,首先建立了半無限梁受移動脈沖作用的瞬態(tài)響應(yīng)模型,并采用Fourier變換法求得相應(yīng)的梁的撓度和應(yīng)力解。通過將梁的撓度結(jié)果與有限元結(jié)果比較,驗(yàn)證了理論解的有效性。梁中的最大應(yīng)力值隨時間的變化規(guī)律是與梁中最大應(yīng)力值出現(xiàn)處和移動脈沖前段距離隨時間的變化規(guī)律相一致。同樣基于Bernoulli-Euler梁理論,建立了無限梁受移動脈沖作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)模型,采用二維Fourier積分變換方法對梁方程進(jìn)行求解,最后應(yīng)用復(fù)變函數(shù)理論中的留數(shù)定理求得梁的撓度和應(yīng)力的顯式解。得到了無限梁受移動脈沖作用下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的臨界速度,將其和瞬態(tài)解得到的臨界速度以及與脈寬相同周期的簡諧波波速三者之間的對比發(fā)現(xiàn),穩(wěn)態(tài)解得到的臨界速度臨界速度更接近瞬態(tài)解的臨界速度。穩(wěn)態(tài)解得到的載荷作用區(qū)前后方平衡位置的距離表達(dá)式可以很好的表征瞬態(tài)解載荷后方的撓度,其撓度與移動脈沖的速度無關(guān)。進(jìn)一步求得臨界速度的近似解,和瞬態(tài)解得到的臨界速度幾乎完全吻合。根據(jù)交會壓力波的特點(diǎn)對前面理論解進(jìn)行修改,得到了梁在受壓力波作用下的動態(tài)響應(yīng)。對于同一列車交會產(chǎn)生的壓力波,即壓力波空