马永福 马小梅

摘 要：利用UM建立CRH2型车多刚体动力学模型，通过有限元分析软件ANSYS建立桥梁的参数化模型，并对桥梁进行柔性化处理，通过接口模块UM_ANSYS将桥梁有限元模型导入UM。仿真分析了在不同速度下车辆通过桥梁时，桥梁的振动特性以及车辆脱轨系数、轮重减载率等动力学性能；

关键词：UM；车-桥耦合；分析

中图分类号：U270.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）27-0022-02

Abstract： The multi-rigid-body dynamics model of CRH2 vehicle is established by UM， the parameterized model of bridge is established by finite element analysis software ANSYS， and the bridge is treated by flexibility. The finite element model of bridge is imported into UM by interface module UM_ANSYS. The vibration characteristics of the bridge， the vehicle derailment coefficient and the wheel load reduction ratio are simulated and analyzed when the vehicle passes the bridge at different speeds.

Keywords： UM； vehicle-bridge coupling； analysis

車桥耦合振动以工程振动理论为基础，它主要分析力学特别是动力学和计算力学。研究车桥耦合，试验和理论都是不可缺少的手段[1]。随着高速铁路的发展，列车运行速度大幅度提高，各种动力作用急剧上升，车桥振动响应加强。由于列车与轨道相互作用，列车运行激起各车辆及轨道的复杂振动，实践证明，在不利条件下，车桥振动可能引起翻车、车轮脱轨、货物破坏、司机旅客不适应等现象，因此，对列车与桥梁相互作用的耦合系统进行空间振动分析，找出引发这些现象的条件，保证列车安全正常运行，就成为我国高速铁路建设中需着重研究的主要课题[2]。

本文以国内的CRH2型车为研究对象，以车辆动力学，桥梁动力学以及有限元建模技术等为基础，并且以轮轨几何关系、轮轨之间的作用力作为联系纽带，将CRH2型车与桥梁作为一个大系统，分析车桥耦合动力学特性，对车桥耦合动力学行为进行预测分析。

1 桥梁振动特性分析

国产CRH2型高速客车主要大部件有：轮对、构架、车体，轮对与构架之间通过一系悬挂连接，构架和车体通过二系悬挂连接。其中一系悬挂主要有一系垂向减振器和刚弹簧，二系悬挂主要有二系横向减振器、二系垂向减振器、空气弹簧及抗蛇形减振器。将该车辆系统的弹簧和阻尼看做无质量的力元，多刚体模型具有15个刚体，分别是4个轮对、8个转臂轴箱、2个构架、1个车体。本文中将4个轮对全考虑成弹性体。

当车辆通过桥梁时，由于受到各种内外界因素的影响，其分析通常较为复杂，涉及车辆的速度和加速度。车辆长度以及车辆载重等诸多因素。桥梁自身的一些结构特征也对其影响，如桥梁类型、桥梁整体刚度、阻尼、桥梁跨度和桥梁长度。当桥梁振动过大时会影响轨道、道砟和道床的变形影响列车的平顺性，增大轨道养护维修的难度，振动达到桥梁共振时会导致桥梁的破坏，降低桥梁的抗疲劳强度等，影响列车在桥上行驶时的安全性和稳定性[3]。

以速度为工况，分析在不同速度下桥梁的横向加速度和垂向加速度的变化，如图1和图2所示。

当速度为180km/h时，桥梁横向加速度达到最大值，而相比于桥梁垂向加速度，其在180km/h的值较小。

2 脱轨系数分析

车辆运行过程中，由于激励和惯性产生轮轨侧向力，使轮对产生了一种沿着轨头向上爬的趋势，同时由于轮对重力等力的同时作用，最终达到一种想滑而滑不下来的平衡状态。如果产生的过大侧向力，会打破这种平衡，轮重力、摩擦力不能平衡侧向上滑力，最终轮轨分离导致脱轨[4]。

以速度为工况，分析在不同速度下脱轨系数的变化，如图3所示。可以看出，随着速度的增大，脱轨系数也逐渐增大，当速度为200km/h时，脱轨系数达到0.25。

3 轮重减载率分析

轮重减载率和脱轨系数都为车辆脱轨的评价标准，而轮重减载率是在轮轨横向力作用很小的情况下，发生的脱轨[5-6]。

以速度为工况，分析在不同速度下轮重减载率的变化，如图4所示。从图中看出，随着速度的增加，轮重减载率也随之增加。

4 结束语

基于多体系统动力学理论，利用UM建立CRH2型车多刚体动力学模型；通过有限元分析软件ANSYS建立桥梁的参数化模型，并对桥梁进行柔性化处理，通过接口模块UM_ANSYS将桥梁有限元模型导入UM。仿真分析了车桥振动特性、该型车的脱轨系数、轮重减载率等动力学性能，得出车辆模型在各个方面都处于优良状态。

参考文献：

[1]丁兆峰.高速铁路车-桥耦合振动分析[D].兰州交通大学，2011.

[2]崔圣爱.基于多体系统动力学和有限元法的车桥耦合振动精细化仿真研究[D].西南交通大学，2009.

[3]李沣.基于MATLAB的车桥耦合动力学分析[D].华中科技大学，2015.

[4]邓朋儒.基于多体动力学的铁路斜拉桥车-桥耦合分析及疲劳损伤评估[D].中南大学，2014.

[5]J Arnold，Kaiser J，Schupp G.Simulation of a railway vehicle's running behavior：How elastic wheelsets influence the simulation results.Vehicle System Dynanics Supplement.2004，41：242-251.

[6]J Arnold.Using multibody dynamics for the simulation of flexible blads.35th ERF， Hamburg， Germany，2009.