车辆动力学基础课件.ppt
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- 车辆 动力学 基础 课件
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1、任尊松北京交通大学 机电学院车辆动力学基础任尊松北京交通大学 机电学院E-mail:Phone:010-51688204 139100049931997.06 西南交通大学硕士学位2000.06 西南交通大学博士学位2002.05 北京交通大学博士后出站2002.05-北京交通大学机械学院 副教授E-m a i l:z s r e n c e n t e r.n j t u.e d u.安全性稳定性舒适性可靠性经济性高速 振动的加剧,相对运动的速度提高高速列车/动车组的运行要求安全性稳定性舒适性可靠性经济性高速 振动的第一章第一章 概论概论n第一节第一节 研究内容和目的研究内容和目的n第二节第
2、二节 车辆动力学研究与实践车辆动力学研究与实践n第三节第三节 铁路发展趋势铁路发展趋势n第四节第四节 世界高速铁路世界高速铁路n第五节第五节 我国铁路高速技术发展我国铁路高速技术发展n第六节第六节 铁道部技术引进与动车组铁道部技术引进与动车组第一章 概论第一节 研究内容和目的第一节第一节 研究内容与目的研究内容与目的n提高列车运行速度和增加列车牵引重载是实现铁路运输现代化的重要标志。n按照目前车辆和铁路线路构造情况,国内在铁路高速重载化过程中存在一系列矛盾。一、我国铁路运输主要发展趋势与存在的矛盾第一节 研究内容与目的提高列车运行速度和增加列车牵引重载是n高速重载与线路强度和稳定性之间的矛盾;
3、n高速重载与车辆强度之间的矛盾;n高速重载与车辆零部件使用寿命之间的矛盾;n高速与列车运行阻力之间的矛盾;n高速重载与线路线路构造状态之间的矛盾;n高速重载与车辆车辆构造状态之间的矛盾;n高速重载与车辆运行平稳性、安全性和稳定高速重载与车辆运行平稳性、安全性和稳定性之间的矛盾;性之间的矛盾;高速重载与线路强度和稳定性之间的矛盾;主要任务:通过分析车辆和线路之间的相互作用,研究车辆在各种运行速度下的振动规律与特性,从保证运行安全和舒适平稳出发,提出对现有车辆构造的改造措施,研究新的车辆结构和零部件构造型式。二、主要任务与具体内容二、主要任务与具体内容具体内容:研究车辆(动车组)在各种运用条件下,
4、特别是高速运行时的位移、加速度和由此而产生的动作用力。主要任务:通过分析车辆和线路之间的相互作用,研究车辆在各种运主要目的主要目的 确定车辆在线路上安全运行条件;研究车辆悬挂装置和牵引缓冲装置的结构、参数和性能对振动及动载荷传递的影响,并为这些装置提供设计依据提供设计依据,以保证车辆高速、安全、平稳地运行;确定动载荷特征,为计算车辆动作用力提供依据(如弹簧动挠度设计和最大承载能力设计)。准确把握车辆动力学是降低轮轨磨耗、提高稳定性和可靠性的基础。主要目的确定车辆在线路上安全运行条件;车辆设计需要解决的问题u 蛇行运动u 曲线通过u 舒适性u 脱轨u 倾覆u 交会u 控制车辆设计需要解决的问题蛇
5、行运动三、车辆动力学问题的提出v1829年,一篇关于铁路运营的文章中记载:铁道车辆在运行中的持续振动,主要是由于车辆和轨道的四个接触点车辆和轨道的四个接触点在运行中不可能连续保持在一个平面内引起的。鉴于当时列车运行速度较低,车辆系统动力学问题还不突出;v运行速度提高,车辆运行品质恶化;v载重加大,车辆与线路系统之间相互作用加强,对车辆和轨道的破坏作用增大;三、车辆动力学问题的提出1 8 2 9 年,一篇关于铁路运营的文章v为改善车辆运行速度提高和载运量加大后对系统造成的不良影响,车辆系统动力学作为一门学科逐步发展起来;v20世纪60年代,学科理论水平及研究成果都已经达到了一个崭新阶段。v上世纪
6、90年代,国外技术进入相对成熟期;v国内在70年代末在该方面的研究才真正开始起步,并形成对国外先进技术的追赶之势;但终因基础薄弱、起步晚,虽然经过20多年的致力发展,目前仍与国外先进技术有一定的差距;为改善车辆运行速度提高和载运量加大后对系统造成的不良影响,车四、高速列车十大关键技术四、高速列车十大关键技术1.1.交流传动技术交流传动技术2.2.复合制动技术复合制动技术3.3.高性能转向架技术高性能转向架技术4.4.轻量化技术轻量化技术5.5.优良空气动力学外型优良空气动力学外型6.6.自动控制监测与诊断技术自动控制监测与诊断技术7.7.密接式连接技术密接式连接技术8.8.车厢密封及集便排污技
7、术车厢密封及集便排污技术9.9.倾摆车体技术倾摆车体技术10.10.高性能受电弓技术高性能受电弓技术四、高速列车十大关键技术交流传动技术车辆动力学基础车辆动力学基础 高性能转向架技术高性能转向架技术高速转向架必须具备特性:高速转向架必须具备特性:高速运行稳定性高速运行稳定性高舒适性高舒适性良好的走行安全性良好的走行安全性优良的曲线通过性能优良的曲线通过性能 高性能转向架技术高速转向架必须具备特性:c(t)VMCIcyKtzZc(t)Mt Ityt2(t)KhP1(t)CtzCtzKtzMt Ityt1(t)Zt1(t)Zt2(t)Z01(t)Z02(t)Z03(t)Z04(t)P2(t)P3(
8、t)P4(t)CpzKpzZw1(t)Zw2(t)Zw3(t)Zw4(t)五、课程学习范畴中央悬挂系统轴箱悬挂系统五、课程学习范畴中央悬挂系统轴箱悬挂系统车辆动力学基础垂向载荷传递顺序车体 上心盘 下心盘 摇枕摇枕弹簧油压减振器弹簧托梁 摇枕吊轴 摇枕吊 摇枕吊销 吊销支承板摇枕吊座 摇枕吊座托架 构架 轴箱弹簧支柱座轴箱弹簧支柱 轴箱弹簧 支柱环 橡胶缓冲垫定位座 轴箱弹簧托盘 轴箱 轴承 轴颈 车轮钢轨垂向载荷传递顺序车体 上心盘 下心车辆动力学基础车辆动力学基础本课程目的与方法车辆的运行性能主要决定于悬挂装置中诸如弹簧和各种弹性元件、减振器、弹簧支承以及各种拉杆、定位装置等的结构型式的选
9、择是否合理,设计参数是否选用恰当。因此,本课程将围绕采取哪些措施来提高或获得车辆系统优良的动力学性能来讲解。结构形式设计参数设计本课程目的与方法车辆的运行性能主要决定于悬挂装置中诸如弹簧和轮轨接触轴箱定位中央悬挂结构与参数动力学计算动力学模型课程讲解思路 讲解思路轨道不平顺轮轨接触轴箱定位中央悬挂结构与参数动力学计算动力学模型课程讲第二节 车辆动力学研究与实践u动力学研究与计算机仿真u国内在车辆动力学研究方面取得的主要成就u虚拟样机的概念与内涵u虚拟样机应用领域第二节 车辆动力学研究与实践动力学研究与计算机仿真 周期短,投入少周期短,投入少 ;避免了实车试验所承担的风险和危险。避免了实车试验所
10、承担的风险和危险。u仿真是对一个模型进行试验研究。u计算机仿真则是对一个数学模型进行试验研究。u在车辆系统动力学领域,计算机仿真已越来越流行。u计算机仿真在对透彻理解系统性能方面有如下的优点:动力学研究与计算机仿真动力学研究与计算机仿真周期短,投入少;仿真是对一个模型进行试验研究。动力学研究与v 在产品开发前期对基本设计思想的论证。比如用简单的模型对各种方案的动力学特性进行初步评估。v 用更精细的模型在产品设计阶段对系统性能进行优化。v 对最终设计的产品性能进行校核,即对车辆的稳定性、平稳性、曲线性能和各类作用力进行评价。v 预测实验室试验结果和现场试验结果,以辅助编制试验计划。v 有效的仿真
11、模型还可用来对系统进行监控、诊断和故障预测。特别需要采用仿真模型的几个方面特别需要采用仿真模型的几个方面在产品开发前期对基本设计思想的论证。比如用简单的模型对各种方计算机技术对车辆动力学发展的推动作用v 计算机的出现为车辆动力学仿真提供了可能;v 近年来研制的系统动力学软件,可以用计算机自动建立车辆系统模型;v 高性能计算机为复杂的非线性车辆系统动力学仿真提供了方便、提高了效率;v 利用计算机,动力学的理论研究成果直接用于合理选择现代车辆的参数、优化设计及预测动力性能。计算机技术对车辆动力学发展的推动作用计算机的出现为车辆动力学国内在车辆动力学研究方面取得的主要成就v 车辆系统动力学仿真(平稳
12、性、稳定性、安全性);v 车辆及列车脱轨理论和试验研究;v 轮轨接触几何关系分析;v 磨耗型踏面设计;v 车辆悬挂系统新型元件应用(空气弹簧、抗侧滚扭杆、制动盘等);v 自导向与迫导向径向转向架开发;v 城市轨道交通车辆设计与开发;v 准高速和高速列车的研制及动力性能的预测与分析;v 车辆-轨道耦合系统动力学研究。国内在车辆动力学研究方面取得的主要成就车辆系统动力学仿真(平1.上世纪90年代以前,基于牛顿定理、分析力学等建立车辆动力学模型;2.1990以来,基于多体系统动力学,建立车辆多体动力学模型(虚拟样机)3.虚拟样机作为一种研究方向由美国人提出,并与ADAMS软件的应用紧密相关,其基础是
13、1984年多体动力学的发展和计算机性能的大幅度提高。虚拟样机的概念与内涵上世纪9 0 年代以前,基于牛顿定理、分析力学等建立车辆动力学模 虚拟样机技术主要是指对机械系统的动力学仿真,而且这种仿真是以多体动力学的理论与方法为基础。在产品开发初期就通过计算机仿真,研究车辆动力特性和改善潜力,可以达到低成本和加快周期的目的,这是虚拟样机技术的宗旨。动力学仿真即虚拟样机与有限元方法的区别:前者研究机械系统多个部件的动力学或运动学关系,存在大的相对位移;而后者研究的是机械系统中某个部件的小变形和应力。虚拟样机的概念与内涵虚拟样机技术主要是指对机械系统的动力学仿真,而且这种仿真是以虚拟样机技术是以计算多体
14、动力学理论为基础的动力学仿真方法。计算多体动力学领域的任务和研究目标:u 建立复杂机械系统的动力学程式化数学模型,并开发实现该数学模型的软件,用户只需输入描述系统的最基本数据,就能借助计算机按程序自动进行处理。u 开发和实现处理数学模型的有效计算方法与数值积分法,自动得到运动学和动力学响应。u 实现有效的数据后处理,并通过动画、图表或其他方法提供数据处理结果。虚拟样机的概念与内涵虚拟样机技术是以计算多体动力学理论为基础的动力学仿真方法。计多体动力学的基本概念与软件-铁道机车车辆动力学分析铁道机车车辆是一种典型的复杂机械多体系统,对机车车辆性能的评价涉及很多内容,因此其动力学分析内容也是多方面的
15、,如图所示。图-与传统动力学不同,多体动力学有如下特点:分析机械系统时,不需要工程师自己来建立微分方程,而是由程序根据拓朴关系自动建立。由于不用自己建立方程,因此不容易出错,既使出错也容易检查出来;对不同的复杂机械系统能够很快建立模型并且便于修改,而传统分析中增加或减少自由度是非常烦琐且极易出错的。数值分析专家提供的有效计算方法保证计算过程准确和可靠。多体动力学的基本概念与软件-铁道机车车辆动力学分析铁道机车车辆系统动力学分析线性系统分析非线性系统分析v 静平衡位置v 抗干扰能力+平稳性v 根轨迹v 最小阻尼v 平稳性指数临界参数+静平衡位置频域谱密度方差分析变化参数分析v 极限环计算v 曲线
16、/任意线路通过v 特殊分析v 分叉计算v 测量数据的统计分析v 准静态曲线通过v 等等v 抗干扰能力+平稳性随机激励解析激励(如正弦等)(实测或P S D 转换)曲线通过S 型曲线通过轨道扭曲实测轨道走向等等过道岔过桥主动控制(如倾摆)滚动台研究等等(如回归分析)车辆系统分析车辆系统分析虚拟样机的应用领域-汽车-铁道机车车辆-机电设计仿真-新型轨道车辆,如磁悬浮列车-铁道车辆弓网动力学仿真-通用机械-机器人-航空航天-等等虚拟样机的应用领域-汽车-铁道机车车辆-机电设计仿真-虚拟样机的应用领域-汽车汽车与铁路是虚拟样机的最主要应用领域。铁路车辆的悬挂部件相对汽车更简单,但铁路车辆的轮轨特殊性决
17、定了其分析过程很复杂。汽车的建模与铁路相比要求更高的数据库应用、子结构应用技巧;此外汽车的转向是主动的,而铁路是被动的。应用实例:轮胎力学:汽车在不平道路上的运行:汽车驶过一个障碍:人与汽车:图图图图图虚拟样机的应用领域-汽车汽车与铁路是虚拟样机的最主要应用领域车辆动力学基础车辆动力学基础车辆动力学基础车辆动力学基础车辆动力学基础车辆动力学基础车辆动力学基础虚拟样机的应用领域-铁道车辆铁路应用举例:大连市快速轨道车辆仿真:仿真中轮轨接触情况:列车过桥仿真:过道岔计算:主动悬持仿真:稳定性计算:(常规计算)粘着控制仿真:弓网动力学仿真:等等图图图图图多数铁路企业采用SIMPACK多体程序进行仿真
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