车辆冲击数值模拟研究

基金项目： 国家863计划资助项目（2008AA030706）；国家自然科学基金资助项目（50821063）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（SWJTU12CX041）

作者简介： 孙树磊（1985-），男，博士研究生，研究方向为机车车辆设计及理论， E-mail： shulei85.sun@gmail.com

文章编号： 0258-2724（2013）03-0507-06DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.018

摘要：

为了研究车辆冲击对车辆运行安全性的影响，依据缓冲器计算理论，利用Simulink软件建立了货车缓冲器动力学修正模型；根据车辆系统动力学理论及车钩计算模型，利用UM软件建立了装用K6转向架的C80货车完整自由度车辆模型.将上述模型联合仿真，实现了车辆冲击的数值模拟.计算结果表明：两组车之间的冲击比一辆车与一组车间的冲击危害更大；车钩和从板质量使车辆产生高频小幅的车钩力；悬挂因素导致完整自由度车辆冲击模型的车钩力比单自由度车辆冲击模型小21.7%；车辆在纵向、横向和垂向存在耦合关系，轮轨垂向力随着冲击质量以及重心高度的增加而增大，轮轨横向力随着车端纵向压力的增加和曲线半径的减小而增大.

关键词：

缓冲器；车钩；车辆冲击；特性曲线；动力学模型

中图分类号： U270.1文献标志码： A

近年来随着重载列车的开行，车辆之间的纵向冲击显著增大，导致车辆结构破坏和运输货物破损现象时有发生[1-2].车辆冲击数值模拟对研究车辆纵向冲击特性具有重要意义. Simson等利用Vampire软件对纵向冲击中心盘处的受力情况进行了详细分析[3].文献[4]中利用UM软件进行了冲击模拟，建立了钩缓接触及摩擦模型.文献[5]中研究了车钩高度不同的车辆发生冲击时的动力学特性及应力分布.文献[6]中研究了装配不同性能缓冲器的车辆冲击时的动力学性能；文献[7]中对罐车的冲击进行试验，以研究冲击力对罐车裂纹产生造成的影响；国内外学者对纵向冲击中缓冲器计算模型的研究做了大量的研究工作[8-10]，但对加载卸载间过渡曲线上的能量耗散问题研究较少.

本文基于动力学理论，建立了缓冲器动力学修正模型、车钩动力学模型以及完整自由度车辆冲击模型，应用上述模型对车辆冲击进行了数值计算，为新型车辆结构、缓冲器的设计和车辆冲击试验提供理论依据.

1

货车缓冲器动力学修正模型

货车缓冲器对减轻车辆纵向冲动和耗散振动能量起着重要作用，缓冲器计算模型的正确与否将直接影响车辆冲击仿真过程以及车钩力大小的评估.

如图1所示，根据式（1）～（5），在缓冲器动力学修正模型中，当磁滞力沿着NFM卸载到M时，产生一个与速度相反的阻尼力，其与磁滞力的合力会沿着NGM卸载，即车钩力的卸载路径位于磁滞力的下方；同理，当磁滞力沿着MFN加载到N时，其阻尼力与磁滞力的合力沿着MEN进行加载，车钩力的加载路径位于磁滞力的上方.在这种修正模型中，过渡曲线处的加载和卸载形成了NGMEN的顺时针耗能环，使得两车之间的相对运动得到衰减，不会出现在路径NFM上往复振动的情况.

2

单自由度车辆冲击数值计算

2.1

单自由度车辆冲击模型验证

基于以上修正的缓冲器计算理论，利用MT-2缓冲器的串联特性，建立车辆的一对一单自由度冲击模型，通过分析不同附加阻尼以及不同冲击速度条件下的动力学响应，验证缓冲器动力学修正模型的正确性.此模型中，忽略外力对冲击作用的影响，车辆简化为质量块，仅有沿纵向的一个自由度；两个串联的缓冲器特性通过增加行程的方式转换成单一缓冲器的特性.不同附加阻尼条件下的车间作用力特性曲线如图2所示，不同冲击速度下的车间作用力特性曲线如图3所示.

缓冲器特性曲线围成的回路是缓冲器消耗的能量.从图2和图3可以看出，车辆冲击过程中，缓冲器的磁滞曲线回路从大逐渐变小，表明伴随着车辆冲击，缓冲器不断消耗车辆的动能；加载转为卸载的过渡段时，附加阻尼力位于磁滞力下方，这与缓冲器计算理论中的分析结果一致，在过渡曲线上亦能消耗能量；附加阻尼力的存在对加载曲线和卸载曲线没有影响，仅仅对间断点处的过渡曲线上的车钩力有影响；随着冲击速度的增加，车钩力也越大，对车辆结构造成的威胁也越大；冲击速度不同，阻尼力的大小也不同，这说明冲击速度越大，过渡曲线上的转换速度越大，附加阻尼力也越大.

2.2

不同模式下车辆的冲击

在车辆冲击中，存在不同的冲击模式，即一辆车冲击一组车，一组车冲击一组车以及一组车冲击一辆车.为研究不同编组冲击下车钩力的特性，建立了冲击速度为7 km/h下， 6辆编组车辆在不同模式下的冲击模型，其车钩力计算结果如表1所示.

由表1中可知，最大车钩力均位于车辆冲击的交界面处，这是由于冲击交界面处是两组车的直接作用面，并且相邻两车的相对速度最大，导致缓冲器位移最大；在不同模式的冲击中， 3辆冲击3辆的车钩力最大.因此，在车辆调车冲击中，两组车间的冲击比一辆车与一组车间的冲击危害更大.

3

完整自由度车辆冲击数值计算

3.1

车钩计算模型分析

车钩的作用是实现机车和车辆或车辆和车辆之间的连挂，并传递牵引力及冲击力[11].建立车钩模型，能更精确地分析车辆冲击机理，研究冲击过程中车辆的纵向、垂向以及横向的耦合关系.车钩简化模型如图4所示.将钩尾框、前从板及后从板简化为一个从板，从板相对于车体具有沿着纵向的自由度，从板和车体之间缓冲器相连接，车钩相对于从板可以在一定的角度内做摇头和点头的运动.

在车钩连挂以及车辆冲击过程中，需要考虑接触力和摩擦力，因此建立了如图4和图5所示的接触单元.

当接触点与接触面之间的距离为正时，其接触力为0；当距离为负时，接触力分解为沿着接触面法线方向的正压力以及位于接触平面内的摩擦力，其接触力算法与文献[4]相同.

通过定义一对双向接触面，实现车辆冲击过程中的车钩连挂模拟.由两个具有一定距离的单向接触平面共同组成一对双向接触面，其距离为车钩间隙，如图5所示.图5中， n为接触面的法向量，接触面位于车钩1上，接触点位于车钩2上.当接触点在两接触面以内和以外时，即没有与接触面相接触，其接触力为0，如图中接触点1和接触点2所在的位置；当接触点与任意接触平面接触时，会产生单向接触力，如图中接触点3和接触点4所在的位置，只能产生沿图中所示方向的单向接触压力，若从另一个方向上接触时，其接触力为0.当两车连挂之后，利用止档力元，限制两车钩之间的转动以及横向的错动，仅使其在垂向的一定范围内移动.

3.2

完整自由度车辆冲击模型及仿真流程

根据多体动力学理论，结合车钩计算模型，基于UM软件，建立两辆装用ZK6的C80货车系统动力学完整模型.根据缓冲器计算修正模型，利用Simulink编制货车缓冲器动力学程序，结合UM软件中建立的两辆货车完整自由度模型，通过UM与Simulink的联合仿真，实现车辆冲击的数值计算，如图6所示.

3.3

结果及讨论

根据以上计算模型和仿真流程，对两辆完整自由度车辆进行一对一的冲击计算，冲击连挂过程中，冲击车以及被冲击车的速度变化如图7所示.缓冲器特性曲线如图8所示.对于两组车之间的冲击或者一组车与一辆车的冲击模型，若全部建立完整自由度模型，其自由度数量会非常庞大，因此可采用单自由度车辆冲击模型计算车钩力，继而将车钩力转化为车端纵向压力的方法，施加于两完整自由度车辆的外端.

由图7和图8可见，车辆在冲击连挂过程中，冲击车与被冲击车的速度交替变化，并逐渐趋于一致.这说明设置的双向接触面较好的模拟了连挂过程中的接触问题.随着时间的变化，车钩力沿着缓冲器的特性曲线较快地衰减，两车相对位移为0附近，车辆产生了高频小幅的车钩力.这是因为在冲击过程中考虑了车钩及从板的质量及转动惯量等因素，因其质量较小，当两车钩处于车钩间隙内时，车钩及从板相对于车体沿着纵向仍在高频振动，但由于其幅值在缓冲器初压力范围之内，而不是在加载或卸载曲线上，因此没有得到快速的衰减.完整自由度车辆冲击模型中车钩力要比单自由度车辆冲击模型小21.7%，这是由于完整自由度车辆冲击模型中考虑了车辆悬挂，从而将整车分离开，悬挂之上的质量要小于单自由度车辆，并且悬挂的纵向刚度对车钩力也有一定的影响.

冲击过程中车辆在纵向、横向和垂向存在着耦合关系.在研究纵向力与垂向力的耦合关系时，分别计算了重车冲击重车、重车冲击空车以及空车冲击空车3种工况的垂向力，车轮的最大垂向增载量如图9所示.

由图9可见，车辆在冲击过程中产生了明显的点头运动，使车辆的冲击端增载；重车之间的冲击要比空车之间的冲击产生的垂向力大很多，一方面是因为重车质量大于空车，另一方面是由于重车的重心高度远高于车钩高，较容易产生附加力矩，而空车的重心高度与车钩高度较为接近，冲击时不易产生点头运动.

在研究纵向力与横向力的耦合关系时，利用单自由度列车模型计算车辆纵向冲击中产生的车钩力，转化为两车外侧的纵向压力，并让其通过曲线，从而研究车辆在曲线通过时纵向力对横向力的影响，曲线计算条件与文献[12]中的线路工况一致.最大轮轨横向力与车端压力、曲线半径的关系如图10所示.

由图10可见，随着车端纵向压力的增加和曲线半径的减小，轮轨横向力逐渐增大，导致车辆脱轨的可能性亦逐渐增大.因此，小半径曲线上较大的纵向冲击对车辆安全性具有重大的影响.

4

结束语

（1） 基于缓冲器计算理论和货车缓冲器动力学修正模型，解决了缓冲器过渡曲线处的能量耗散问题，从而避免了过渡曲线上的往复振动；车辆调车冲击中，两组车间的冲击比一辆车与一组车间的冲击危害更大.

（2） 依据多体动力学理论，结合车钩计算模型和缓冲器动力学修正模型，对两辆装用ZK6的C80货车完整自由度车辆进行了冲击模拟计算，由于考虑了车钩及从板的质量等因素，当车钩处于连挂间隙范围内时，车钩力会沿着纵向高频小幅变化；由于悬挂因素的存在，完整自由度车辆冲击模型的车钩力小于单自由度车辆冲击模型.

（3） 车辆冲击过程中存在纵向、横向和垂向耦合作用，轮轨垂向力随着冲击质量以及重心高度的增加而增大，轮轨横向力随着车端纵向压力的增加和曲线半径的减小而增大.因此，在研究列车系统动力学时需要考虑纵向力对轮轨横向力和轮轨垂向力的影响，以提高分析精度.

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