典型運行風環境對400 km/h動車組動力學性能的影響研究

摘要：為分析時速400 km動車組在明線平地15 m/s橫風、單車通過雙線隧道和明線列車交會三種典型運行工況下氣動載荷對動車組動力學性能的影響，先利用Fluent流體力學軟件仿真得到三種典型風環境下各節車體的非定常氣動力和力矩，再將其作為外部激勵施加到Simpack多體動力學仿真模型中，進而構建列車的離線流固耦合模型，開展提速后的高速列車動力學性能仿真分析。結果表明：與無氣動載荷相比，不同環境下氣動載荷均會使列車的平穩性和安全性指標有所增大，但各節車之間存在一定差異；橫風工況下，由于頭車受到較大的側向力和搖頭力矩，故氣動載荷影響下頭車平穩性和安全性的惡化程度遠大于其它車；單車通過雙線隧道工況下，由于受到尾流渦的影響，1～8車的氣動側向力、搖頭力矩波動程度整體呈逐漸增大規律，故氣動載荷影響下4～8車的橫向平穩性惡化程度遠大于1～3車；明線交會工況下，各節車的平穩性指標均有所增大，且增幅接近，相比其它車，尾車的安全性變差明顯。

關鍵詞：動車組；氣動載荷；流固耦合；平穩性；安全性

中圖分類號：U271.91 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.06.006

文章編號：1006-0316 （2024） 06-0037-07

Influence of Typical Operational Wind Environments on Dynamic Performance of 400 km/h EMUs

SHI Junjie¹，HU Zhe²，CHI Maoru²，CUI Tao¹，YU Miao¹，WANG Qi¹

（"1."CRRC Tangshan Co.，"Ltd.， Tangshan 063035， China; 2. State Key Laboratory of Rail Transit Vehicle System， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China"）

Abstract：This study aims to analyze the influence of aerodynamic loads on the dynamic performance of high-speed trains at the speed of 400 km/h under three typical operational"conditions： a 15 m/s crosswind on open lines， a train passing through a double-track tunnel， and trains passing on open lines. Firstly， the unsteady aerodynamic force and torque of each car under the three typical environments are obtained by using the Fluent fluid dynamics software and then applied as an external excitation to the Simpack multi-body dynamics simulation"model. The offline fluid structure coupling model of the train is established， and the dynamic performance simulation analysis of the high-speed train at increased speed is carried out. The results suggest that compared with conditions without aerodynamic load， aerodynamic loads can increase the stability and safety index of trains in different environments， though it various between different car bodies; under the crosswind condition， due to the significant lateral force and yaw moment on the head car， the deterioration of the stability and safety of the head car under the influence of aerodynamic loads is much greater than that of other cars; under the condition of a train passing through a double-track tunnel， due to the influence of wake vortices， the fluctuation of aerodynamic lateral force and yaw moment of car no.1 to no.8 gradually increases. Consequently， under the influence of aerodynamic loads， the deterioration of the lateral stability of car no.4 to no.8 is far more severe than that of car no.1 to no.3; under the condition of trains passing on open lines， the stability index of each car increases with close amplitude， but the safety of the tail car significantly deteriorates compared with other cars.

Key words：EMUs；aerodynamic load；fluid-solid coupling；stability；safety

動車組具有良好的動力學性能是鐵路安全運營和乘客乘坐舒適的保證。車輛動力學性能不僅與自身系統振動特性有關，還與外部激擾有較大關系。當外部激擾過大或激擾的激振頻率與車輛系統自身振動頻率發生耦合共振時，則可能導致車輛系統的動力學性能惡化。外部激擾可分為兩個方面，分別為軌道不平順和氣動載荷。軌道不平順來自車輛下方，與軌道建設質量相關；氣動載荷主要來自車體周圍，其特性根據動車組運行環境的不同而不同。典型環境包括明線橫風、列車通過隧道和列車交會。外部激擾與車輛動力學性能直接相關，特別是400"km/h動車組，其受到的氣動載荷激擾更加劇烈。為保證動車組列車具有較好的穩定性、乘坐舒適度和安全性，有必要評估分析氣動載荷激擾對400"km/h列車動力學性能的影響。

國外眾多學者從實車試驗、模型試驗和數值模擬等方面出發，對列車在橫風工況、通過隧道工況、交會工況下的空氣動力學特性進行了大量研究，取得了突出成果^[1-6]。國內，田紅旗等^[7]對廣深準高速線上進行了列車實車空氣動力學試驗，分析了列車交會壓力波與列車運行速度、列車交會速度、車體截面形狀、車頭形狀等的關系，以及高速車對低速車的影響，并總結了交會壓力頭波、尾波幅值分布規律。何德昭等^[8]對列車通過隧道時的空氣特性進行了現場試驗，揭示了列車風和氣動壓力波的普遍規律。郗艷紅等^[9]利用數值模擬方法，對橫風環境下列車的空氣效應、非定常氣動力和運行安全性進行了大量研究。田紅旗等^[10]對我國270"km/h高速列車展開氣動力性能的風洞試驗，分析了列車外形對空氣阻力、升力和橫向力的影響，得出與列車運行速度相匹配的外形。

以上研究可為本文提供很好的參考，同時也可說明在各種運行工況下氣動力載荷對列車運行品質有較大影響。目前，針對典型風環境下400"km/h動車組動力學性能的研究還不多，故本文對此開展一些研究工作，希望為我國高速動車組的提速研發設計工作提供一定參考。

1 車輛動力學仿真模型

鐵道車輛系統是一個復雜的多體系統，車輛各部件之間及與鋼軌間都存在相互作用關系。在建立列車多體動力學模型之前，首先建立單節車的模型。對車輛系統部件進行一定簡化，共考慮為15個剛體，分別是四個輪對、八個轉臂、兩個構架和一個車體。各剛體之間通過一系列懸掛元件連接。輪對與構架之間的連接稱為一系懸掛，由垂向鋼彈簧、轉臂節點和垂向減振器組成。構架與車體之間的連接稱為二系懸掛，由空氣彈簧、抗蛇行減振器、橫向減振器、垂向減振器、橫向止擋、牽引拉桿、抗側滾扭桿組成。單節車輛系統的拓撲關系如圖1所示，單節整車共計50個自由度。一系懸掛和二系懸掛使用力元來模擬，通過車間元件將8節單車聯接起來即可形成列車模型，編組方式為4動4拖，車間元件包括車鉤和車間縱向減振器等。建立的8編組車輛系統動力學仿真模型如圖2所示。

本文研究車型采用LMA標準踏面，鋼軌廓形為CHN60N，等效錐度約為0.04。軌道不平順可分為左軌橫向不平順、右軌橫向不平順、左軌垂向不平順和右軌垂向不平順。在后續的仿真計算中采用國內武廣50實測軌道譜，以左軌橫向不平順為例，如圖3所示。

高速動車組在三種典型風環境下的非定常氣動力和力矩通過Fluent流體力學仿真軟件得到。空氣動力學模型中列車幾何外形采用實際動車組外形，不對其尺寸進行縮放。為提高計算效率，對轉向架結構進行了一定簡化。列車運行速度為400 km/h，橫風風速為15 m/s，隧道為雙線隧道。明線橫風工況、通過隧道工況和明線交會工況的仿真步長分別為0.0001 s、0.0045 s和0.003 s。控制方程采用SIMPLE算法求解。由于本文主要研究氣動載荷激擾對列車動力學性能的影響，故詳細的列車空氣動力學模型、求解設置及結果不在本文中進行展示。

將仿真得到的非定常氣動力和力矩作為激勵譜施加到列車SIMPACK多體動力學模型中，即可形成列車離線流固耦合動力學仿真模型。為防止氣動力的突然施加對列車動力學響應產生沖擊，令氣動力由0逐漸單調遞增至氣動力時程的第一個數值點^[11]。以列車通過隧道工況的車頭橫向力為例，氣動力的施加方式如圖4所示。

2 不同風載荷下列車的動力學性能

根據GB/T 5599－2019標準^[12]中平穩性和安全性以及EN"14067-6標準^[13]中傾覆系數的規定，對相應的車輛動力學性能指標進行仿真計算，并對三種工況下非定常氣動載荷激擾對列車各節車的動力學性能影響進行仿真分析。

2.1 明線橫風工況

列車在明線橫風環境下直線運行工況時的列車各節車動力學性能指標如圖5所示，橫風風速為15 m/s。可以看出，對于橫向平穩性，相比無氣動載荷，有氣動載荷時各節車的性能指標均有所增大，氣動載荷對頭車的惡化程度明顯大于其它車，有無氣動載荷情況下的頭車指標分別為2.72和1.97，頭車橫向平穩性指標已超出標準規定的2.5限值^[12]，乘坐舒適度較差，而2～8車的指標差值均不超過0.1；對于垂向平穩性，有無氣動載荷情況下2～8車的性能指標差值很小，不超過0.05，而頭車的差值明顯，為0.23，這與橫向平穩性指標的規律相同；對于脫軌系數安全性指標，有無氣動載荷情況下2～8車的性能指標差值相對不大，約為0.05，而頭車的差值較大，為0.25，與橫向平穩性指標的規律相同，不同的是，氣動載荷雖然導致頭車脫軌系數安全性變差明顯，但其指標還在標準規定的0.8限值以內，不會有不安全的風險；傾覆系數安全性指標其規律與脫軌系數完全相同，有無氣動載荷兩種條件下頭車的差值為0.35，2～8車的差值約為0.06。

綜合該工況下的列車動力學性能指標結果，可以得出結論：400"km/h列車在明線直線運行工況下，當環境中存在較大橫風時，在列車各節車中，頭車動力學性能受氣動載荷影響較大，其橫向平穩性和安全性指標均有明顯增加，應特別關注。造成該結果的原因是，該工況下，合成風以一定風向角沖擊頭車，其車身表面壓力最大的位置位于車頭鼻尖處迎風側，故導致頭車受到較大且存在波動的側向力、側滾力矩和搖頭力矩，而其它車所受氣動力相對頭車而言較小。

有無氣動載荷情況下的頭車橫向振動加速度頻域對比結果如圖6所示。可以看出，無氣動載荷情況下，頭車的主頻約為1.2 Hz，對應幅值為0.05 m/s²，有氣動載荷激擾的情況下，頭車的主頻在1.8～2.5 Hz范圍，對應最大幅值為0.17"m/s²；整體來看，對比無氣動載荷情況，有氣動載荷情況下，頭車各頻率所對應的幅值均增大明顯。

2.2 通過隧道工況

單列車通過雙線隧道工況下列車各節車的動力學性能指標如圖7所示，隧道斷面面積為100 m²。可以看出，對于橫向平穩性，有無氣動載荷情況下1～3車的性能指標幾乎沒有差異，而4～8車的差異明顯，有氣動載荷情況下的橫向平穩性指標明顯大于無氣動載荷情況，其差值約為0.4，且5車的指標已超出標準規定的限值；總體來看，各節車的垂向平穩性、脫軌系數和傾覆系數在有無氣動載荷情況下的差異不大。

綜合該工況下的列車動力學性能結果，可以得出結論：400"km/h單列車在雙線隧道內運行工況下，列車各節車中動力學性能受氣動載荷影響較大的是列車后部5節車的橫向平穩性。氣動載荷對頭部3節車的橫向平穩性，以及列車的其它性能指標的影響較小。造成該結果的原因是，列車在隧道內運行時，由于受到隧道內空間的限制，其尾流渦不能較快地向外耗擴散，而是在列車表面和隧道壁面之間反復作用，且列車頭部至尾部各節車所受氣動載荷的幅值整體為逐漸增大，故對列車后部車體的橫向平穩性產生了較大影響，又因為各節車的動力學參數存在一定差異，故得到圖7的結果。

有無氣動載荷情況下的尾車橫向振動加速度頻域對比結果如圖8所示。可以看出，無氣動載荷情況下，尾車的主頻在1.0～2.0 Hz范圍，對應最大幅值為0.037"m/s²，有氣動載荷的激擾情況下，尾車主頻主要有三個，分別為1.8 Hz、2.1 Hz和4.3 Hz，對應最大幅值為0.07"m/s²；整體來看，對比無氣動載荷情況，氣動載荷的激擾主要是使尾車1.8～6.5 Hz頻率范圍內的振動加速度幅值增大明顯。

2.3 明線列車交會工況

明線列車交會工況下列車各節車的動力學性能指標如圖9所示。可以看出，相比無氣動載荷情況，有氣動載荷情況下，列車各節車的橫向平穩性指標均明顯增大，且各節車增大的程度較為接近，尾車的差異略大于其它車，整體差值約為0.36；各節車的垂向平穩性指標均有所增大，但增大的程度沒有橫向平穩性指標明顯，整體約為0.14；1～7車的脫軌系數存在差異，但相對不大，約為0.02，8車的脫軌系數差異相對較大，為0.14；1～7車的傾覆系數基本沒有差異，8車的傾覆系數差異明顯，為0.06。

綜合該工況下的列車動力學性能結果，可以得出結論：400"km/h列車在明線列車交會工況下，氣動載荷對列車各節車的橫向平穩性、垂向平穩性和脫軌系數指標均有較為明顯的影

響，尤其對尾車的影響程度較其它車更大。氣動載荷對列車傾覆系數的影響只在尾車，對其它車基本沒有影響。造成該結果的原因是，列車發生交會時，列車之間會產生交會沖擊波，此時車體受到先突然增大、再減小、后恢復0值的側向力波動，且尾車的波動峰值更大。

有無氣動載荷情況下的尾車橫向振動加速度頻域對比結果如圖10所示。可以看出，無氣動載荷情況下，尾車的主頻為1.7 Hz，對應最大幅值為0.06 m/s²，而當存在氣動載荷激擾的情況下，尾車的主頻主要有兩個，分別為1.4 Hz和3.8 Hz，對應最大幅值為0.2"m/s²；整體來看，對比無氣動載荷情況，有氣動載荷情況下，尾車各頻率對應的幅值均增大明顯。

3 結論

（1）動車組列車以400"km/h的速度運行在三種典型風環境下，會受到一定的非定常氣動載荷激擾，其會對列車的動力學性能產生較大影響。

（2）明線15 m/s橫風環境下，氣動載荷主要對頭車的橫向平穩性和安全性產生較大影響，其橫向平穩性指標已超出限值，脫軌系數和傾覆系數安全性指標還在安全范圍以內，而對其它車的動力學性能影響不大；單列車通過雙線隧道環境下，氣動載荷主要對列車后部車廂的橫向平穩性產生較大影響；列車交會環境下，氣動載荷主要對各節車的橫向平穩性產生較大影響，且對尾車的影響更加顯著。

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