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随机风下跨座式单轨列车底部的流动特性分析

铁道机车与动车 2024年第9期 1-6,11页

作者：许克猛杜礼明大连交通大学机车车辆工程学院辽宁大连116028

跨座式单轨列车在轨道梁上行驶时的空气动力学问题相较于普通列车更复杂,其运营安全性和稳定性问题更加值得关注。文章建立了跨座式单轨列车的气动仿真模型,研究了随机风作用下跨座式单轨列车的气动响应及其底部的流动特性、涡量分布及... 详细信息

跨座式单轨列车在轨道梁上行驶时的空气动力学问题相较于普通列车更复杂,其运营安全性和稳定性问题更加值得关注。文章建立了跨座式单轨列车的气动仿真模型,研究了随机风作用下跨座式单轨列车的气动响应及其底部的流动特性、涡量分布及湍动能变化特征。结果表明:随机风下列车底部压力脉动变化比较大,在中车竖直截面2处轨道梁被裙板挡住的情况下,气流流经列车底部回流严重,形成较多的旋涡;列车裙板和轨道梁上附着大量的旋涡,风速变化列车底部的涡量旋即变化,且风速越大涡量也越大。说明此处受风流扰动较大;湍动能是在头车的截面一处变化最大,最大值32.5 m^(2)/s^(2),表明头车底部能量波动最大。在随机风下单轨列车气动特性中的气动力数值变化较小,但气动力矩中的点头与摇头数值变化较大,对单轨列车安全性与稳定性产生一定影响。

关键词：跨座式单轨列车随机风底部流动涡量分布气动特性

随机侧风下高速列车在桥塔环境中气动载荷的时域与频域特性研究

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铁道车辆 2024年第1期62卷 13-18页

作者：杜礼明葛文帅章芝霖大连交通大学机车车辆工程学院辽宁大连116028

在列车高速行驶过程中,强侧风的作用使得高速列车气动载荷急剧变化,可能会引起列车倾覆。文章对比分析了在恒定侧风和随机侧风的作用下,某型高速列车通过桥塔环境时头车所受到的气动载荷的时域特性,通过对其气动载荷进行快速傅里叶变换... 详细信息

在列车高速行驶过程中,强侧风的作用使得高速列车气动载荷急剧变化,可能会引起列车倾覆。文章对比分析了在恒定侧风和随机侧风的作用下,某型高速列车通过桥塔环境时头车所受到的气动载荷的时域特性,通过对其气动载荷进行快速傅里叶变换,得到了频谱分布特性。结果表明:在恒定侧风作用下,高速列车的气动载荷变化平缓,波动较随机侧风明显平缓;而在随机侧风的作用下,随着基频风速增大,气动载荷的极值大小基本不变,但极值点数目增加,这表明随机侧风模型和基频风速增加,对列车气动载荷变化影响显著。气动载荷功率谱密度集中出现在0~5 Hz范围内,最大值对应频率集中在0~1 Hz范围内,表明由侧风导致的列车所受非定常气动载荷的频率较低,这与列车本身的一些固有振动模态频率非常接近,易形成共振;与恒定侧风相比,随机侧风下气动载荷功率谱密度峰值更大,且随着基频风速增大而增大。

关键词：随机侧风桥塔气动载荷时域频域

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基于线性强化结构应变法的低周疲劳分析

铁道科学与工程学报 2024年第2期21卷 759-768页

作者：邱广宇史少聪梁广源李向伟裴宪军大连交通大学机车车辆工程学院辽宁大连116028 中车广东轨道交通车辆有限公司广东江门529100 中国中车齐齐哈尔车辆有限公司黑龙江齐齐哈尔161002 东南大学机械工程学院江苏南京211189

焊接结构的低周疲劳分析对于轨道车辆尤为重要。为了有效评估焊接结构的低周疲劳,提出一种基于线性强化本构的结构应变数值计算方法。该方法基于经典板壳理论和弹塑性力学。通过考虑材料的应变硬化行为,将材料的真实应力应变关系简化为... 详细信息

焊接结构的低周疲劳分析对于轨道车辆尤为重要。为了有效评估焊接结构的低周疲劳,提出一种基于线性强化本构的结构应变数值计算方法。该方法基于经典板壳理论和弹塑性力学。通过考虑材料的应变硬化行为,将材料的真实应力应变关系简化为线性强化本构关系。利用有限元分析软件ABAQUS和Fe-safe计算焊接结构焊趾位置的结构应力,给出基于径向回退算法的线性强化本构塑性修正模型。利用MATLAB编写结构应变数值计算程序对结构应力进行塑性修正,并计算结构应变。基于该结构应变,给出了考虑板厚效应和载荷模式的等效结构应变范围计算公式,利用主应变-寿命曲线分析低周疲劳数据,建立了广泛用于轨道车辆的Q450高强度耐候钢材料制成的3种焊接接头的有限元模型。采用结构应力法的主应力-寿命曲线和结构应变数值计算方法的主应变-寿命曲线对试验获得的疲劳数据进行分析,并对比2种方法计算的等效结构应变范围。结果表明,各焊接接头的试验数据均分布在主应变-寿命曲线的线性窄带内,验证了结构应变数值计算法的可行性;与结构应力法相比,结构应变数值计算方法能更好地反映低周疲劳过程中材料的应变硬化现象,更适用于焊接结构的低周疲劳评估。该方法对轨道车辆焊接板结构的低周疲劳评估具有研究价值。与传统的通过提取节点力的方式计算结构应力和结构应变参数的方法相比,利用MATLAB编写结构应变数值计算程序极大地提高了结构应变参数计算的效率。

关键词：焊接接头低周疲劳结构应变线性强化本构主应变-寿命曲线

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高海拔下内燃机车车顶热流输运特性研究

铁道科学与工程学报 2024年第9期21卷 3732-3742页

作者：于德壮刘慧颖周丹项盼高广军中南大学交通运输工程学院湖南长沙410075 中车大连机车车辆有限公司辽宁大连116021 辽宁轻工职业学院辽宁大连116100

内燃机车车顶排放的高温浮射流会对列车外流场分布和下游设备的散热性能产生影响,研究高温浮射流对车体周围气动特性的影响有助于评估下游设备的散热环境状况。采用三维、非定常、可压缩雷诺时均Navier-Stokes方法的Realizable k-ε两... 详细信息

内燃机车车顶排放的高温浮射流会对列车外流场分布和下游设备的散热性能产生影响,研究高温浮射流对车体周围气动特性的影响有助于评估下游设备的散热环境状况。采用三维、非定常、可压缩雷诺时均Navier-Stokes方法的Realizable k-ε两方程湍流模型,对5节编组高速列车进行数值仿真模拟计算,并与实车试验结果进行对比验证。此外,还分析了不同海拔高度、列车运行速度下的高温浮射流扩散效应。结果表明:随着海拔高度升高,大气密度减小,柴油机排放的高温气体所受的惯性力加强,气流向上运动趋势增加,列车表面最高温度降低。当运行环境的海拔高度由3000 m上升至5000 m时,内燃机车车顶最高温度由117℃下降到86℃。而列车运行速度加快致使柴油机释放的高温气流更贴近列车表面,导致车顶表面最高温度上升。当列车以80 km/h运行在3000 m海拔高度时,列车车顶最高温度为81℃,列车运行速度提高到160 km/h时,最高温度为143℃。研究阐明了高海拔、低气压、低密度的环境中,内燃动力车驱动列车以不同运行速度在明线运行时,柴油机出风口产生的高温气流对列车外流场气动特性的影响机制。

关键词：内燃机车高海拔低气压高温浮射流数值仿真

Y型蜂窝等效模型及蜂窝夹芯结构车体的仿真分析

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铁道科学与工程学报 2024年第9期21卷 3743-3754页

作者：石姗姗马嘉欣陈秉智汉红彪王国鑫大连交通大学机车车辆工程学院辽宁大连116028 大连交通大学高速列车服役安全关键技术铁路行业重点实验室辽宁大连116028

复合材料夹芯结构在轨道车辆车体轻量化中应用广泛,但在大型夹芯结构车体仿真计算时,存在结构层次复杂且分析经验较为缺乏等问题。本文提出考虑蜂窝双壁影响的Y型蜂窝等效模型,然后基于Y型蜂窝等效构建碳纤维铝蜂窝夹芯板和格栅增强碳... 详细信息

复合材料夹芯结构在轨道车辆车体轻量化中应用广泛,但在大型夹芯结构车体仿真计算时,存在结构层次复杂且分析经验较为缺乏等问题。本文提出考虑蜂窝双壁影响的Y型蜂窝等效模型,然后基于Y型蜂窝等效构建碳纤维铝蜂窝夹芯板和格栅增强碳纤维铝蜂窝夹芯板仿真分析模型,并将其分别与三点弯曲试验进行验证。根据传统列车车体的蒙皮骨架形式,构建碳纤维铝蜂窝车体和格栅增强碳纤维铝蜂窝车体,并运用BSEN12663:2010标准和《复合材料设计手册》中的设计标准分析其刚度、强度、应变等力学性能。研究结果表明:碳纤维铝蜂窝夹芯板和格栅增强碳纤维铝蜂窝夹芯板三点弯曲仿真结果与试验值误差分别为2.8%和0.1%,验证了Y型蜂窝等效模型具有较高的精度;碳纤维铝蜂窝车体的比刚度最低提升了49.4%,强度最高提升了64.5%;格栅增强碳纤维铝蜂窝车体的比刚度最低提升了67.6%,强度最高提升了66.2%。对于2种蜂窝夹芯结构车体的蒙皮来说,格栅增强碳纤维铝蜂窝车体应变最低下降了36.9%,失效因子最低下降了61.1%,相比碳纤维铝蜂窝车体有较充足的安全余量;相比原不锈钢车体,2种蜂窝夹芯结构车体具有较好的减重效果,碳纤维铝蜂窝车体减重33.4%,格栅增强碳纤维铝蜂窝车体减重13.1%。基于Y型蜂窝等效模型的碳纤维夹芯结构仿真分析,为先进复合材料轨道车辆车体结构轻量化设计提供了参考。

关键词：复合材料夹芯结构 Y型蜂窝等效模型三点弯曲格栅增强蜂窝车体结构仿真

机车充风能力对重载列车缓解性能及车钩力影响研究

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铁道标准设计 2024年第1期68卷 198-203页

作者：魏伟张渊张军赵旭宝田野大连交通大学机车车辆工程学院大连116028 中国铁路太原局集团有限公司科学技术研究所太原030013

机车充气与排气性能是列车制动系统重要指标,目前机车制动系统验收指标仅对排气性能有明确要求,对充气性能无要求。机车供风能力不仅影响重载列车缓解特性和车钩力,而且严重制约重载列车在循环制动中的操纵方法。了解机车充气能力对缓... 详细信息

机车充气与排气性能是列车制动系统重要指标,目前机车制动系统验收指标仅对排气性能有明确要求,对充气性能无要求。机车供风能力不仅影响重载列车缓解特性和车钩力,而且严重制约重载列车在循环制动中的操纵方法。了解机车充气能力对缓解特性和车钩力的影响规律,以及重载列车安全运行和制动系统设计具有重要意义。通过建立列车空气制动系统仿真模型,分析机车充风能力对重载列车缓解特性和车钩力的影响。分析发现,机车充风能力对列车再充风时间、缓解波传播和车钩力都有明显影响;充风能力越弱,则缓解波传递越慢,车钩力越大。在本文研究范围内,合适的充气能力将比弱充风能力首尾车缓解时间差缩短3 s,最大车钩力降低16.2%。建议机车验收时增加机车充风能力检测,并给出了建议检测标准。针对重载列车充风能力,建议多部门联合系统性开展实验与仿真研究,制订重载列车制动系统检测标准与方法。

关键词：重载列车机车充风自动制动机缓解特性车钩力

基于三维几何模型的铝合金车体结构自动化建模和仿真

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铁道车辆 2024年

作者：于洋洋谷理想葛洪峰张健高强中车青岛四方机车车辆股份有限公司大连交通大学机车车辆工程学院大连理工大学工程力学系

基于铝合金车体三维几何模型，通过自主开发的专业软件建立了铝合金车体结构的全参数几何信息解析和有限元网格自动生成技术，并实现了车体结构的刚度和模态自动快速仿真分析。基于STP格式的几何模型，自动识别和抓取出建立有限元模型... 详细信息

基于铝合金车体三维几何模型，通过自主开发的专业软件建立了铝合金车体结构的全参数几何信息解析和有限元网格自动生成技术，并实现了车体结构的刚度和模态自动快速仿真分析。基于STP格式的几何模型，自动识别和抓取出建立有限元模型所需要的所有几何信息，进而解析出车体的断面和各类梁柱型材，并自动提取出它们的二维截面形状信息。根据车体断面和梁柱的二维形状信息，自动提取中线和厚度，并划分其有限元网格。将车体断面和梁柱的平面网格沿着特定方向拉伸，并根据它们之间的连接关系自动合并节点，从而生成整车结构的三维有限元网格，并实现单元属性和材料参数数值、单元分组、载荷工况定义等功能，从而建立整车结构的参数化有限元模型。通过与人工建立车体结构有限元模型的刚度和模态对比，验证了基于文章所提方法建立的参数化铝合金车体结构有限元模型的正确性。

关键词：铝合金车体结构几何模型网格自动生成刚度模态

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动车组制动系统PHM人机界面设计方法研究

铁道机车车辆 2024年第3期44卷 56-62页

作者：王鹏章阳王涤非程宏明中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所北京100081 北京纵横机电科技有限公司北京100094 大连外国语大学软件工程学院辽宁大连116044

生态界面设计是一套复杂安全苛求系统人机界面的设计理论体系,它基于认知学和心理学的相关原理,能够帮助操作人员在人机交互中面临新情况和问题时做出正确决策,从而提高操作绩效。文中以复兴号动车组制动系统故障预测与健康管理信息界... 详细信息

生态界面设计是一套复杂安全苛求系统人机界面的设计理论体系,它基于认知学和心理学的相关原理,能够帮助操作人员在人机交互中面临新情况和问题时做出正确决策,从而提高操作绩效。文中以复兴号动车组制动系统故障预测与健康管理信息界面为研究对象,依据生态界面设计理论,采用抽象层次法进行工作领域分析,确定了制动系统的功能性目的、抽象功能、一般性功能、物理性功能和物理形式的具体内容,提出了界面的模块划分和具体视图方案。通过软件实现了仿真界面的显示并开展了故障处理对比试验。研究工作表明使用生态界面设计方法对动车组制动系统故障预测与健康管理信息界面进行设计,能够提高故障处理绩效和操作人员对系统的理解水平,可为其他车载人机接口界面设计提供参考。

关键词：动车组制动系统故障预测与健康管理人机界面生态界面设计

基于灵敏度分析的中高地板铰接车体整体性能优化设计

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铁道车辆 2024年

作者：崔效健谢素明陈舒姜士鸿大连交通大学机车车辆工程学院黑龙江交通职业技术学院铁道车辆系中车长春轨道客车股份有限公司

利用有限元分析与结构优化技术，解决中高地板铰接车体整体性能指标偏低的问题。首先根据结构承载特点建立铰接车体有限元模型，经分析得出车体垂向刚度及整备车体一阶垂弯振动频率不满足标准要求；通过位移及频率灵敏度分析，筛选敏感... 详细信息

利用有限元分析与结构优化技术，解决中高地板铰接车体整体性能指标偏低的问题。首先根据结构承载特点建立铰接车体有限元模型，经分析得出车体垂向刚度及整备车体一阶垂弯振动频率不满足标准要求；通过位移及频率灵敏度分析，筛选敏感的主结构型材板厚作为刚度及频率优化的设计变量；再分别以静态刚度和动态频率为目标函数开展尺寸优化，基于优化结果确定主结构铝型材的厚度；优化后的车体在最大超员载荷下，其底架边梁中部最大垂向位移降为10.4 mm，整备车体一阶垂弯频率提升至10.8 Hz。

关键词：铰接车体整备车体模态灵敏度分析刚度优化频率优化