复杂风环境下车辆的倾覆机理研究

我国武广高速列车的运行速度已达350km/h，速度更高的京沪高速客运专线也正在建设当中。列车速度较高时，较小的横风作用下就会产生巨大的横向力，极有可能导致列车倾覆，造成巨大的生命财产损失。同时当列车运行的环境发生突变时，突变的横向力会使车辆的横向振动加剧，即使较小的横向力也有可能导致列车的倾覆。本项目拟从车辆在高速运行时车辆周围的流场及车体表面压力分布出发，研究自然风湍流度等因素对车辆表面附面层及表面压力分布的影响，得到自然风条件下的车辆气动性能；建立车辆在瞬态风载荷情况（尤其是突风情况下）车辆的动力学模型，研究在瞬态风载荷作用时车辆及轮轨关系的动力学响应，从轮轨接触关系研究车辆在强风下倾覆或脱轨机理。通过本项目的研究得到强横风尤其是突风作用下线路周围环境对列车表面附面层及周围流场影响的机理；得到及车辆在瞬态脉动及突变风载荷作用下，风载荷特性对车辆倾覆稳定性及脱轨安全性的影响。

在强瞬态风载荷以及轮轨激励共同作用下，列车会产生复杂的受迫振动，严重时可能导致脱轨或倾覆。近年来，高速铁路速度迅速发展，我国武广、京沪高速列车速度已达350km/h，途经强风区的兰新高速铁路建设也基本完成。列车高速通过风区时，较小或突变的横风作用都会产生巨大的横向力波动，使得列车发生倾覆的风险大大提高。因此，研究车辆在横风环境下的动力学特性，找出瞬态风载荷对车辆系统振动的影响，并提出针对性的限速和防风措施，对预防大风下行车事故，确保运行安全具有重要的工程应用价值。.本项目结合现场实测风速，提出了一种针对强非线性系统的最小二乘分析方法，得到了现场风剖面廓线指数和表面粗糙度；采用基于DES（分离涡模拟）的数值模拟方法，以研究高速列车车辆表面附面层和表面压力分布特性为前提，为风环境下导致列车倾覆气动载荷分析提供研究基础，并提出了车辆扰流板、车辆连接部位抽、吸气流场控制装置以及风雨联合作用对列车表面压力分布和气动力的影响。以所得风剖面特征参数作为初始条件，研究了不同路况对线路周围风速的影响，得到了风速相关性曲线以及测风站实测风速与远方实际来流风速及列车所处位置处风速的关系曲线，提出了线路周围测风站选址方法。.采用DES数值模拟得到的列车在横风下的气动特性，根据运动物体的风谱函数，结合气动导纳和权函数计算了列车受到的瞬态风荷载以及列车出隧道遭遇横风时的瞬态气动性能；建立了瞬态风载荷情况下（尤其是突风情况下）车辆的动力学模型，得到了车辆在瞬态风载荷作用下的动态响应，研究了车辆在强风下倾覆或脱轨机理。同时开展大风环境下新疆铁路列车及防风设施空气动力学综合试验。研究成果表明：随着车速的提高，车辆受到轮轨激励的影响急剧增大；在瞬态突变风荷载作用下车辆的动力学性能也会发生突变，尤其是出隧道遭遇横风时，车辆更容易发生倾覆；同时研究了侧滚力矩、俯仰力矩和偏转力矩对车辆动力学性能的影响，其中偏转力矩和俯仰力矩对车辆的脱轨系数和轮重减载率影响较小，车辆的动力学性能基本上仅受到侧向力、升力及侧滚力矩的影响。.计算了瞬态风荷载作用时的动力学性能，提出了列车在明线上运行及出隧道口时的工程限速方案，可直接用于指导列车在大风下的安全运行。