分析刚度高速动车组转向架—系橡胶节点频率—刚度特性与其影响要求

摘要：橡胶节点是轨道车辆轴箱转臂与构架的重要连接元件,在地铁、轻轨等城市轨道车辆和高速列车上均广泛采取,橡胶节点承担着传递牵引或制动的纵向力、保证列车稳定运转并具有良好导向能力等重要功能,由此优化橡胶节点参数是车辆转向架动力学浅析的重要内容。当橡胶节点用于地铁车辆时,其典型工况为较低的速度和较小的曲线半径,线路等级相对客运专线低得多,振动频率范围相对也较低,在橡胶节点的参数优化中主要考虑其对曲线通过性能的影响。当橡胶节点用于高速动车组时,运转速度达到350～380km/h,曲线半径超过5000米,在橡胶节点的参数优化中主要考虑高速列车稳定性及其对参数敏感性的不足,虽然线路平顺度很高,振动方差较小,但整体振动频率范围也更高,在以往探讨中较少关注的橡胶元件动态刚度及影响不足变得更加突出,为此,本论文结合动车组转臂式定位结构的浅析,通过转臂式橡胶节点刚度计算及动力学仿真的策略探讨橡胶节点频率-刚度特性对高速动车动力学性能的影响。本论文主要探讨内容有：(一)橡胶材料本构模型的浅析。介绍了橡胶材料本构模型的两种探讨策略,讨论基于连续介质的唯象学描述法的几种典型的橡胶材料本构模型,即超弹性模型、粘弹性模型和弹塑性模型。浅析如何通过试验获得不同橡胶超弹性本构模型的参数,为建立橡胶有限元叠加模型、以及探讨橡胶节点的动态特性提供论述依据(第2章)。(二)建立橡胶节点有限元模型并提出参数识别策略。通过简谐剪切试验,进行橡胶节点动态特性试验探讨,同时通过橡胶节点叠加模型的有限元策略,计算出橡胶节点的离散刚度,并通过试验加以验证。然后根据离散点拟合出橡胶节点在不同振幅下的频率-刚度曲线,最终得到节点的频率-刚度、振幅-刚度拟合特性曲线。提出了橡胶节点材料试验参数的识别策略,以识别塑性材料参数和粘性材料参数(第3章)。(三)以单自由度系统出发,建立质量-弹簧动力学模型,浅析弹簧频率-刚度特性对机械振动系统的响应。在动力学计算中引入了频率-刚度特性的影响,介绍了在SIMPACK车辆多体动力学软件中频率-刚度特性力元的建模历程(第4章)。(四)以某和谐号高速动车组为探讨对象,分别建立了未考虑频率-刚度特性的传统动力学模型和引入了橡胶节点频率-刚度特性的动力学模型,比较浅析了两个模型中的振动模态和列车临界速度。浅析了传统模型中橡胶节点的连接件(轮对及构架)振动频率、橡胶节点的变形和受力分布范围,作为引入橡胶节点动态刚度特性动力学模型的基本依据。通过两种模型的比较,详细浅析了橡胶节点的频率-刚度特性对高速动车组动力学性能的影响(第5章)。本论文采取叠加模型的有限元法描述橡胶节点在实际工程运用环境下的动态力学行为,为浅析橡胶元件的动态刚度特性提供了一种新策略。结合CRH2高速动车组,通过建立考虑了橡胶节点频率-刚度特性曲线的车辆动力学模型,探讨了橡胶节点的频率-刚度特性对动车组车辆动力学性能的影响。本论文的工作可作为进一步开展高速动力车组动力学性能对参数敏感性的浅析的基础,也为高速动车组橡胶节点的参数设计优化提供依据。探讨得到的主要结论有：1)动车组的一系橡胶节点的动态特性可以通过叠加模型有限元法计算获得。试验表明该策略具有较好的准确性,针对所探讨的橡胶节点样品的试验和计算而言,相对误差未超过5%；2)橡胶节点的频率-刚度特性对动车组的动力学性能有较大的影响。针对所探讨对象而言,非线性稳定性临界速度较传统计算降低6.25%；当列车速度超过250km/h时,车轴横向力较传统模型随速度的增大增加更加显著,当速度为350km/h时,导向轮对的车轴横向力较传统模型增大约22%；对车辆垂向平稳性的影响较小,但对横向平稳性的影响在速度超过250km/h后,较传统模型更显著,当速度达到350km/h时,两者的Sperpng横向平稳性指数分别为2.63、2.52。本论文的革新点体现在以下2方面：1)在高速列车动力学计算中引入了橡胶节点频率-刚度特性,并结合具体车型浅析了这一特点对车辆的影响；2)提出了采取叠加模型有限元法能够计算橡胶节点的频率-刚度特性,并对此进行了试验验证。关键词：高速动力组论文动力学论文一系定位论文橡胶节点论文频率-刚度特性论文

摘要6-8

Abstract8-14

第1章 绪论14-33

1.1 引言14-15

1.2 工程背景及不足的提出15-25

1.2.1 高速动车组动力学15-16

1.2.2 车辆轴箱定位结构16-22

1.2.3 橡胶材料特性22-25

1.3 橡胶材料元件静态特性探讨综述25-27

1.4 橡胶材料元件动态特性的探讨综述27-31

1.4.1 试验法27

1.4.2 论述浅析法27-31

1.5 选题作用31

1.6 论文的主要工作31-33

第2章 橡胶材料本构模型浅析33-45

2.1 橡胶材料本构模型的探讨策略33-35

2.1.1 统计热力学法33-34

2.1.2 连续介质的唯象学描述法34-35

2.2 橡胶材料本构模型35-41

2.2.1 超弹性本构模型35-39

2.2.2 粘弹性本构模型39-40

2.2.3 弹塑性本构模型40-41

2.3 获得橡胶材料超弹性模型参数的试验策略41-43

2.3.1 单轴拉伸和压缩试验41-42

2.3.2 纯剪切试验42-43

2.3.3 等双轴拉伸试验43

2.4 本章小结43-45

第3章 橡胶节点有限元模型和参数识别策略45-68

3.1 简谐剪切试验45-46

3.2 一维模型46-51

3.2.1 粘弹性模型47-48

3.2.2 弹塑性模型48-49

3.2.3 粘弹塑性模型49-51

3.3 叠加模型有限元法51-52

3.4 CRH_2转臂式轴箱定位装置52-53

3.5 橡胶节点试验53-56

3.5.1 试验原理53-54

3.5.2 试验件夹具54

3.5.3 试验加载设备和数据仪器54-55

3.5.4 试验策略及结果浅析55-56

3.6 橡胶节点叠加模型有限元计算56-60

3.6.1 约束边界条件57

3.6.2 动态刚度计算57-58

3.6.3 静态刚度计算58

3.6.4 动态刚度计算结果58-60

3.7 橡胶节点的动态刚度拟合60-62

3.7.1 橡胶节点拟合刚度策略60-61

3.7.2 橡胶节点纵向刚度拟合61-62

3.7.3 橡胶节点横向刚度拟合62

3.8 粘弹塑性模型参数识别62-67

3.8.1 应力-应变曲线分解法63-64

3.8.2 数据优化法64-67

3.9 小结67-68

第4章 弹簧频率-刚度特性对机械振动系统的影响68-76

4.1 频变特性对单自由度振动系统影响浅析68-74

4.1.1 弹簧-质量系统的自由振动68-70

4.1.2 弹簧-质量系统的受迫振动70-71

4.1.3 弹簧频率特性对弹簧-质量系统受迫振动的影响浅析71-72

4.1.4 系统响应实例72-74

4.2 频率-刚度力元处理74-75

4.3 小结75-76

第5章 橡胶节点频率-刚度特性对动车动力学性能的影响76-100

5.1 动车组动力学模型76-81

5.1.1 模型构成76-77

5.1.2 橡胶节点频率-刚度特性模型77-79

5.1.3 橡胶节点传统模型79

5.1.4 轨道随机不平顺79-81

5.2 模态浅析81

5.3 动车稳定性浅析81-86

5.3.1 线性稳定性81-83

5.3.2 非线性稳定性83-85

5.3.3 直线运转平稳性85-86

5.4 构架及轴箱的振动频率分布86-87

5.5 橡胶节点的变形和受力87-90

5.5.1 直线运转时橡胶节点的变形与受力88-89

5.5.2 曲线运转时橡胶节点的变形与受力89-90

5.6 直线运转安全性计算浅析90-96

5.6.1 车轴横向力90-92

5.6.2 脱轨系数92-94

5.6.3 磨耗功率94-96

5.7 曲线运转安全性计算浅析96-97

5.8 动车平稳性浅析97-99

5.8.1 直线平稳性97-98

5.8.2 曲线平稳性98-99

5.9 小结99-100

结论与展望100-103

致谢103-104