高速列车设备舱裙板颤振与支架损伤机理研究

The equipment cabin which is installed under the high-speed train is a slender box-like structure.Equipment cabins in which large-scale equipments installed are enclosed by thin-walled apron plates and bottom plates. The key part damage of the equipment cabin brings potential hazard for high-speed train in service. And the flutter of equipment cabin panels is the most direct reason for structural damage. This project tries to find the relationship rules of aerodynamic loads, vibration loads and component damage of equipment cabins. Based on the equal damage theory, the aerodynamic load spectrum, vibration load spectrum for apron plates and the stress spectrum for the cabin frame are established. Combined with multi-body system dynamics, finite element theory and modal analysis, 3D flutter model of the cabin apron plate is created and the flutter critical condition is identified. With the flutter mechanism announcement the method to avoid or moderate the flutter is provided. Finally, the fatigue behavior and damage mechanism of the cabin frame is studied. The fatigue life forecast method and the safety design norm are put forward. The development of the project is helpful to optimize the equipment cabin and to improve the structural design level. And at the same time, it is important to ensure the high speed train running in safety .

高速列车车下吊装的封闭设备舱为一细长箱型结构，大型设备均安装在内，外部封盖薄壁裙板和底板，其结构损伤是高速列车运行重大安全隐患，设备舱壁板颤振是造成其部件损伤的最直接原因。本项目研究气动载荷、振动载荷与设备舱部件损伤的对应规律，基于等损伤理论，建立设备舱裙板的气动载荷谱、振动载荷谱以及支架的应力谱；将多体系统动力学、有限元分析和模态分析相结合，建立高速列车设备舱裙板三维壁板颤振气动弹性力学模型，确定设备舱裙板颤振发生的临界条件，揭示其颤振机理，提出避免裙板颤振或抑制裙板颤振的方法；研究设备舱支架的疲劳行为及损伤机理，建立其寿命预测方法，提出设备舱安全设计准则。本项目的开展对优化车下设备舱结构、提升车下设备舱承载结构设计水平、确保行车安全具有重要的工程意义和学术价值。

高速列车行驶过程中，其设备舱内外气流不断发生扰动，对列车车身及其附属装置产生气动作用。在气动载荷的作用下，高速列车裙板吊挂及支架发生疲劳开裂，严重威胁列车的行驶安全。.针对这一问题，本研究对列车单车明线运行、单车过隧道、明线交会三种运行工况进行了瞬态空气动力学模拟，全面分析了列车气动力特性、流场结构和表面压力分布规律，编制出了设备舱的气动载荷谱；建立了设备舱裙板颤振力学模型，依据稳定性理论分析壁板气动弹性稳定性，确定了设备舱裙板的颤振速度边界；对设备舱支架模块进行气动载荷和振动载荷下的简谐振动仿真分析，开展了设备舱支架模态试验和线路动应力测试，分析了支架损伤机理并预测了设备舱支架的疲劳寿命。.（1）利用三维可压缩瞬态数值模拟方法，对单车进入隧道和两列车明线交会的气动特性进行研究。结果表明，在隧道中，列车表面负压可高达明线运行的3到5倍，且高压分布范围扩大，对结构疲劳强度影响将更加明显，靠近隧道一侧的表面压力波动更剧烈；交会工况对裙板压力的影响大于对设备舱底板的影响，且交会侧的列车表面压力波动大于非交会侧，上述两种运用工况下的气动载荷应作为裙板载荷谱的来源。.（2）分析了不同运行工况下的列车表面气动压力分布规律，对不同工况下得到的气动载荷进行编谱，得到了不同工况下的气动载荷谱。.（3）从结构振动理论和气动力学理论出发，采用里兹-伽辽金法、微分求积法对二维壁板在亚音速作用下的流-固耦合方程进行离散、求解，依据稳定性理论分析壁板在两端固定、悬臂约束边界条件下的气动弹性稳定性，确定了壁板的临界颤振、发散失稳的速度边界以及颤振频率边界；分析了壁板的材料、结构参数等因素对壁板颤振的影响。.（4）设备舱支架上筋板与L型板连接部位上焊缝角端和下焊缝角端的一阶主频均为14.6Hz，这与采用力锤敲击获得的支架一阶模态频率（13Hz）非常接近，表明支架在车辆运行过程中产生了共振现象。设备舱裙板和底板内、外侧气动压力差激励与设备舱支架产生共振导致其运用中产生高应力幅值，是其疲劳开裂的主要成因。.（5）根据设备舱支架实测应力谱和铝合金支架焊接接头S-N曲线计算得到支架实际裂纹发生部位（上筋板与L型板连接部位焊缝角端）的最短寿命为14万公里，与实际发生支架裂纹的动车组运营里程相吻合。