基于某ADAMSRail地25噸軸重擺動式貨車轉(zhuǎn)向架動力學仿真研究

1、實用標準基于ADAMS Rail的25噸軸重擺動式貨車轉(zhuǎn)向架動力學仿真研究作者：孫善超摘要：本文將應用車輛動力學仿真軟件ADAMS/Rail研究裝備K5轉(zhuǎn)向架的C80H貨車動力學性能?；贑80H的電子樣機模型和有關(guān)試驗數(shù)據(jù)，建立25噸軸重的K5轉(zhuǎn)向架動力學非線性數(shù)學模型，并最終建立C80H的整車的模型。文中還將 K5轉(zhuǎn)向架彈簧托板的有限元模型(MNF)文件引入動力學模型中進行柔性仿真分析，發(fā)現(xiàn)采用柔性彈簧托板可以改進車輛動力 學性能的仿真分析精度。隨著鐵路重載運輸?shù)牟粩喟l(fā)展， 對重載火車轉(zhuǎn)向架的動力學性能提出了更高的要求。發(fā)展適應我國重載運輸需求的具有大軸重、高速度、動力學性能良好的貨車轉(zhuǎn)向

2、架顯得十分迫切。對貨車轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)方式、 轉(zhuǎn)向架動力學性能和懸掛參數(shù)優(yōu)化設(shè)計等進行綜合考慮，是目前需要解決的重要問題之一。隨著CAE技術(shù)的不斷發(fā)展，過去只有通過最后產(chǎn)品試驗才能完成的工作，現(xiàn)在通過仿真技術(shù)就可以實現(xiàn)。本文應用ADAMS/Rail和有關(guān)試驗結(jié)果，建立K5轉(zhuǎn)向架的動力學非線性數(shù)學模 型，并最終建立C80H整車的模型。通過對模型的仿真和分析，研究K5轉(zhuǎn)向架的動力學特性。在計算結(jié)果與試驗結(jié)果良好吻合的前提下，對可能影響K5轉(zhuǎn)向架動力學的一些重要因素進行了分析研究。1擺動式貨車轉(zhuǎn)向架動力學模型的建立動力學模型的建立是進行動力學動態(tài)特性研究的基礎(chǔ)。根據(jù)不同的研究目的， 可以采用不同的建模方

3、法。本文基于虛擬樣機技術(shù)對車輛的各個部件進行建模。建立的模型可以用來對車輛的動力學性能進行仿真計算。建立的模型包括K5轉(zhuǎn)向架模型、車體模型和軌道模型。1.1轉(zhuǎn)向架模型由于本文研究的是車輛運動過程中的動態(tài)特性，而轉(zhuǎn)向架的輪對、 側(cè)架、搖枕等零部件的主要作用是產(chǎn)生慣性激振力，并傳遞力、扭矩等，因此可以不考慮它們的變形對動力學性能的 影響而將其建為剛體。對于剛體模型，建立其運動微分方程所需要的參數(shù)是零件質(zhì)心的位置、 質(zhì)量和慣性矩，這些參數(shù)可來自CAD實體建模。通過精確建立零部件的三維實體模型，可以獲得其準確的質(zhì)量參數(shù)。利用 CAD軟件NX建立側(cè)架、搖枕、彈簧托板、輪對的三維實體模 型，通過軟件提供的

4、功能，賦予各個組件和零件密度，由軟件自動計算出各組件的質(zhì)量、轉(zhuǎn) 動慣量和質(zhì)心位置，采用這種建模方法，與實際物體的物理特性相差極小。最后將各個組件按實際位置裝配好，完成車輛系統(tǒng)剛體模型的建立。建立的轉(zhuǎn)向架的CAD模型如圖1所示。圖1轉(zhuǎn)向架的CAD模型由圖一可以看出：轉(zhuǎn)向架由左右兩個側(cè)架、前后兩個輪對、四個軸箱承載鞍、四個摩擦式楔 塊減振器、十四組減振彈簧、搖動座支撐、心盤、旁承以及制動裝置組成。進行系統(tǒng)動力分 析的關(guān)鍵是部件自由度的確定和各部件之間自由度的選取。下面對本動力學模型各部分的分析和考慮作詳細的說明。輪對和承載鞍的連接輪對和承載鞍之間通過滾動軸承連接， 運動形式為輪軸在軸承內(nèi)轉(zhuǎn)動，兩部

5、分之間只有相互 轉(zhuǎn)動，實際建模中采用轉(zhuǎn)動副連接，約束兩部件之間的五個自由度， 僅允許兩部件之間相互 轉(zhuǎn)動來建立動力學模型。側(cè)架與搖枕的連接側(cè)架與搖枕之間為彈簧懸掛系統(tǒng)，采用彈簧單元來模擬， 通過輸入彈簧的垂向和橫向剛度來確定彈簧的特性。搖枕和車體的連接搖枕在轉(zhuǎn)向架和車體之間起著傳遞力和扭矩的作用，因此采用垂向、橫向、縱向的力和扭矩來模擬心盤和旁承對車體的作用。承載鞍與側(cè)架、摩擦楔塊與側(cè)架以及彈簧搖動座支撐與側(cè)架的連接搖動座通過半徑為 125cm的圓柱作用在圓柱半徑為 250承載鞍上面。彈簧搖動座支撐與上類 似，也是兩個圓弧面相互接觸。同時，摩擦楔塊減振器與側(cè)架和搖枕之間存在正壓力和摩擦 力，它

6、們之間的力隨車輛的運行不斷變化，通過兩者的摩擦消耗能量。 為了精確模擬以上三種連接方式，采用 con tact接觸單元來模擬以上三種現(xiàn)象。在ADAM叩，接觸的法向力有兩種張算法：IMPACT函數(shù)法和恢復系數(shù)法，兩種方法都是法向接觸約束的罰函數(shù)規(guī)則產(chǎn)生的。本文采用IMPACT函數(shù)法來進行法向力的計算。IMPACT的力模型為：Fn二斤*性）十打蠻（&00dc嚴磴dt其中：k為接觸剛度，g為接觸時的侵入量。dg/dt為接觸點的侵入速度，e為力指數(shù)。d為 接觸阻尼系數(shù)，c為最大滲透量。Step為插值函數(shù)。接觸的切向力為相當簡單的基于速度的庫倫摩擦模型。優(yōu)先指定摩擦特性。選擇適當?shù)膮?shù)，對以上三種連接方

7、式進行精確的模擬。1.2車體模型NX模型導入ADAMS車體為C80車體，如上所述，本文中，可以把車體看作一個剛體，把得到車體的模型，最后組裝成整車的模型如圖2所示：圖2整車的動力學模型1.3線路模型軌道幾何形狀的變化是引起車輛各種動態(tài)響應的主要原因。本文選用與試驗對應的鐵科院環(huán)形試驗道的實測不平順，建立線路的不平順模型。2整車重車直線運行過程仿真利用以上建立的重車模型進行仿真計算，車輛的速度分別取為 40、60、80、100、120、135km/h，仿真共進行40秒。取前軸左輪的受力，分別得到以下結(jié)果。2.1車體橫向加速度當速度為80km/h時，得到車體的橫向加速度如圖3所示。得到各速度下的車

8、體橫向加速度文案大全的平均值和最大值如表1所示。參考鐵科院研究報告 TY字第1766號-C80H型鋁合金浴盆運煤敞車動力學性能試驗報告，得到比較圖表如以下所示。圖3 80km/h時重車車體橫向加速表1重車時不同速度時的車體橫向加速度最大值比較卩速度佃速住(km/h)試驗值計鼻值100 070.08600.080. I0 800.280. 370* 300.391200.300.36135Lj0.220. 32把以上數(shù)據(jù)繪成曲線，如圖 4所示。H向加速上-W圖4車體橫向加速度計算值和試驗值的比較22車體垂向加速度當速度為80km/h時，得到車體的垂向加速度如圖5所示。得到各速度下的車體垂向加速度

9、的最大值如圖6所示所示。圖5 80km/h時車體垂向加速度PO SO 1001?0140圖6車體垂向加速度計算值和試驗值的比較2.3脫軌系數(shù)當速度為80km/h時，得到重車的脫軌系數(shù)如圖 7所示。得到各速度下的脫軌系數(shù)的最大值 如圖8所示。圖7重車80km/h脫軌系數(shù)圖8重車時不同速度下的脫軌系數(shù)的平均值比較3修改承載鞍處的圓弧大小后的仿真結(jié)果如圖9所示：把承載鞍處的接觸圓弧由原來的R250、125mm分別修改為R80、70mm然后在R300的彎道上進行仿真計算。比較修改承載鞍圓弧的大小前后R300的彎道上的仿真結(jié)果，可以看出其差別不大，各曲線的變化規(guī)律和最大值基本相同。如40km/h時車身垂

10、向振動加速度的變換如圖10所示。閣g承哉鞍修改處*4|*-If h曲IfffVi4v * i圖10承載鞍修改前后垂向加速度的比較4剛?cè)狁詈夏Ｐ偷姆抡娼Y(jié)果因為彈簧托板剛度較低，考慮彈簧托板的柔性，把彈簧托板做為柔性體。又因為彈簧托板的 厚度較小，所以在劃分有限元網(wǎng)格時使用殼單元。將彈簧托板的有限元模型轉(zhuǎn)入到ADAMSK根據(jù)Craig-Bampton法原理，需要確定固定界面子結(jié)構(gòu)的外部節(jié)點(attachment point)，這里選擇的是彈簧托板與其相連接的各個部件處的 節(jié)點，主要是彈簧托板和彈簧的連接處。將彈簧托板的有限元模型(MNF)文件引入ADAM軟件，得到彈簧托板的柔性體模型如圖11所示。

11、由于外部節(jié)點選取較多，在ADAM軟件中的保留模態(tài)數(shù)較多，考慮到高階頻率對應的振型對系統(tǒng)的運動貢獻不大，對于此系統(tǒng)，使高于300Hz的各階振型無效掉(disable)。最后得到轉(zhuǎn)向架的柔性體模型如圖12所示。二：圖11彈簧托板的柔性體模型圖12含有柔性彈簧托板的轉(zhuǎn)向架模型把轉(zhuǎn)向架的柔性體模型和車體模型裝配，得到整車模型，利用該模型進行動力學分析，得到含有柔性彈簧托板的整車的動力學性能。取車體的橫行、垂向加速度以及前輪左側(cè)的脫軌系數(shù)如圖1315所示。圈13剛耒牌買托皈時T體檢向加迪度比較圖14剛?cè)釓椯m託板時車體垂向孔陽L L*41 HttfI、曲 d Fli 4 ir Tin* iuci圖15剛?cè)岷焚澩邪鍟r筒輪暢軌嚴數(shù)比較由圖1315可以看出：由于存在沖擊，特別是在使用接觸來模擬楔塊的時候，不考慮剛度 較小的部件的柔性可能造成加速度的計算結(jié)果偏大。但彈簧托板的柔性使脫軌系數(shù)略為增 加。因此，在使用多剛體系統(tǒng)研究脫軌時，應該考慮剛度較小部件的柔性作用。5結(jié)論與展望1.由以上結(jié)果可以看出， 本文計算所得到的計算結(jié)果和試驗結(jié)果吻合的相當好，說明本文建立的車輛動力學模型是正確的。該模型可以較精確的模擬C80的動力學性能。2修改承載鞍處圓弧的直徑對車輛的動力學性能影響不大，