高速列车气动压力波CFD数值模拟及对车体动强度的影响分析
随着列车的速度不断提升和轻量化发展，列车在交会时产生的压力波愈发剧烈，气动压力波对车体动强度的影响变得越来越强烈，研究列车与空气的流固耦合问题显得尤为必要。在这种情况下，列车表面短时间内发生的瞬态压力波动会对列车的振动特性以及结构动强度造成较大的影响。如果压力波的频率接近车体的某一阶模态频率，可能会诱发车体共振，影响列车的平稳性和运行安全性。目前已有的研究大多是结合计算流体力学和系统动力学分析列车的动力学特性，或针对列车和环境的某一部位进行局部流固耦合分析，但很少考虑气动压力波对车体振动及动强度的影响。因此，为了保证列车车体的安全性及可靠性，有必要对高速列车在不同工况下交会时的车体振动及动强度问题进行深入的研究，获得车体的动态响应，为高速列车的空气动力学性能优化及车体强度可靠性设计提供参考依据。 本文采用计算流体动力学方法和瞬态动力学方法研究气动载荷对高速列车车体振动特性及车体动强度的影响。主要的研究内容如下： 首先总结了高速列车气动压力波CFD数值模拟分析方法，建立了不同工况下的列车交会CFD数值计算模型，并进行了网格无关性分析。然后，通过与实测数据对比，验证了数值方法与模型的准确性。 采用计算流体动力学方法和控制变量法，分别模拟计算了列车在多种工况下进行交会的气动压力波和气动力，对比分析列车速度、横风速度、隧道长度、不等速交会等因素对列车交会气动特性的影响。结果表明：列车交会引起气动压力波发生剧烈变化，且车速越大，压力波变化越剧烈；相比于非会车侧，会车侧的压力波动更为剧烈；横风使得列车表面及周围流场压力分布不对称，迎风侧压力升高，且风速越大，气动力越大；受隧道入口效应影响，隧道会车压力波变化比明线会车更剧烈，列车交会的气动特性更加恶劣；列车运行阻力受隧道入口效应的影响较大，而侧向力及升力几乎不受影响；长隧道会车工况受隧道入口效应影响较小，压力波变化幅值比短隧道会车小，在会车过程中发生明显波动。 建立高速列车中间车的有限元模型，采用BlockLanczos方法对其进行了白车体和整备车体的自由模态分析，获得其固有频率及模态振型。计算得到的车体一阶垂弯模态频率均满足标准中大于10Hz的要求。通过分析各阶模态振型发现，整备车体底架的局部模态出现较多，尤其是高阶模态，而侧墙较少。然后，通过傅里叶变换频谱分析不同工况下的列车交会气动压力波，获得其频域特性。通过与车体的模态振动特性对比发现，压力波的振动频率低于车体的固有频率，对车体的模态振动影响不大，但对列车的刚体振动有一定影响。 采用扫掠方式加载瞬态气动压力波至车体侧墙，通过瞬态动力学方法获得了不同工况气动载荷作用下的车体动态响应。然后通过雨流循环计数法，获得了不同应力水平下的应力范围和循环次数。接着根据古德曼Goodman直线公式，对各级应力水平进行零均值修正。最后根据疲劳损伤累积理论，将动应力转化为当量应力，对车体在不同工况下的动强度进行了评估。结果发现，本文计算的工况下车体动强度均满足要求。另一方面，窗角位置受到气动压力波作用产生的应力响应较大，气动载荷对车体动强度有一定影响，尤其是在隧道内交会时，如果在长期交变作用下，可能会导致车体发生疲劳失效。因此，在车体强度设计时应当考虑气动载荷的影响。 本文采用CFD数值仿真方法分析高速列车会车产生的气动压力波特性，采用模态分析和频谱分析方法研究车体和压力波的振动特性，采用瞬态动力学方法获得气动载荷作用下的车体动应力进而分析动强度，为列车的空气动力学性能优化和车体强度可靠性设计提供了参考依据。
高速列车;数值模拟;气动压力波;车体模态;车体动强度
西南交通大学
硕士
动力机械及工程
卢耀辉
2021
中文
U270.11
2022-12-13（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）