侧风稳定性论文

侧风稳定性论文（精选3篇）

侧风稳定性论文 篇1

0 引言

汽车的侧风稳定性研究是汽车操纵动力学研究的一个重要内容,侧风稳定性直接关系到车辆高速行驶时的主动安全性。当前对于侧风稳定性的研究方法主要有风洞试验、实车道路试验和虚拟样机技术等。风洞试验对于硬件要求很高,而实车道路试验具有相当的危险性,因此虚拟样机技术成为侧风稳定性研究的一种重要方法。当前虚拟样机技术主要采用的方法有计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)和多体动力学等。CFD主要面向汽车的结构外形和流场分析,并且取得了许多研究成果[1,2,3,4,5],但该方法无法得到车辆的动力学响应,如要深入研究汽车侧风稳定性必须借助多体动力学手段。在多体动力学方面,文献[6-8]从风压中心变化、风谱等多个角度对侧风稳定性进行了研究,得到了许多有益的结论;尹浩等[9]分析了汽车结构参数的侧风灵敏度;徐彬等[10]对赛车的侧风稳定性进行了研究。这些研究仅从动力学出发,利用简化的气动载荷,存在载荷不能客观反映实际情况的问题。当前大部分的研究都利用了风压中心的概念,然而在工程实际中风压中心的位置是无法测量的,对于数值计算来说也是非常困难的[11,12];其次,目前的研究中大部分仅考虑了气动侧向作用,载荷条件过于简化,高速行驶的汽车在经过侧风区前后的全程中质心处气动六分力是同时存在的,而气动载荷的简化对侧风稳定性影响的相关研究目前尚未见报道。

本文基于整车外流场CFD分析结果,利用多体动力学进行汽车瞬态侧风稳定性分析,建立了侧风作用一般情形下的汽车运动矢量关系,探讨了气动载荷简化对侧风稳定性的影响。

1 一般情形下的矢量关系

在开环系统中,从汽车进入侧风区开始,在侧向风干扰作用下实际的运动方向会偏离初始的车速方向,产生车身横摆角α;气流侧偏角φ为合成气流(即来流)与汽车纵轴线的夹角[12],流入角ε为受扰动后的实际车速方向与侧风的夹角,其基本的运动矢量关系如图1所示。从图1中可以看出,当0≤ε<90°时,汽车运动具有顺风趋势;当90<ε≤180°时,汽车运动具有逆风趋势。

以点o为坐标原点、初始车速方向为X轴正方向建立直角坐标系;受扰动后的车速为v1、侧风速度为v2、来流速度为v3,三者速度矢量之间存在如下关系:

设向量-v1=(a,b)、v2=(0,c),则向量v3=(a,b+c)。侧偏角φ满足以下关系:

车身横摆角

气动力

气动力矩

式中,ρ为空气密度;S为正向迎风面积;CF气动力系数;CM为气动力矩系数;l为轴距。

在车速大小和气流侧偏角已知的情况下,利用式(1)~式(3)可以推导出相应的车身横摆角,式(4)~式(5)可以计算出相应的气动六分力;上述矢量关系是连接整车外流场分析与多体动力学分析的重要桥梁,可以将外流场分析得到的气动六分力系数转化为多体动力学仿真的输入载荷。

2 外流场初步分析与载荷转化

2.1 整车外流场初步分析

定义整车采用的车辆坐标系:X轴向后为正,Y轴向右为正,Z轴向上为正;该坐标系同样适用于后面的动力学分析。

采用长方体计算域,其长宽高分别为11L、7W和5 H,其中,L、W 、H分别为整车的长、宽、高,计算域示意图见图2。汽车静止在计算域中,来流速度v3可以分解为侧风速度v2和车辆纵向速度v1,气流侧偏角φ如图2所示。

由于风压中心位置的确定非常困难,本文采取输出整车质心处的气动六分力系数[12];计算过程中气流侧偏角φ从初始值0°开始,每增加5°计算相应位置下的六分力系数,结果如表1所示。

气动六分力系数可看作气流侧偏角的函数,在侧风作用下,气动横摆力矩有使汽车绕Z轴转动的趋势,如果产生的气动横摆力矩有减小横摆作用的趋势,此时汽车具有侧风稳定性[12,13,14,15],即侧风稳定性气动导数。

由对称关系知,横摆力矩系数为侧偏角的奇函数;因此可将表1中的气动横摆力矩系数关系扩大至-60°~60°范围,如图3所示。

从图3可以看出,曲线在侧偏角[-40°,40°]范围内为上升趋势,侧风稳定性气动导数大于零,即该车在侧偏角-40°~40°内具有侧风不稳定特征。

2.2 气动六分力载荷转化

多体动力学仿真的分析工况按照美国ESV规范进行:汽车转向盘固定不动,以50、80、110km/h车速通过宽度为6m的侧风作用区,侧风风速为80km/h。以通过6m侧风区后2s汽车到达地点的侧向偏移量作为评价指标见图4。

由图4可知,在ESV工况下车速v1、风速v2都为已知,表1中气流侧偏角已知,利用式(1)~式(3)即可推导出相应的车身横摆角和合成气流速度,如表2所示。此外,在进入侧风区前的初始车身横摆角为0°。

为了更加接近真实情况,提高仿真精度,本文将气动六分力都加以考虑,同时考虑了静止空气中由车速引起的气动力;根据表2中的来流速度及相应位置的气动系数,由式(4)~式(5)可得到对应车身横摆角下的气动六分力,限于篇幅这里不详细列出。

3 动力学建模与计算

3.1 ADAMS Car多体动力学建模

针对正向开发过程中的某车型,在ADAMS Car模块中建立包含前后悬架子系统、转向子系统、前后横向稳定杆子系统、车身子系统等的整车模型,如图5所示。

3.2 仿真计算

汽车通过侧风区的整个过程可以用四个时间点来表达,如图6 所示。分别为:车头进入时刻t1、车尾进入时刻t2、车头离开时刻t3、车尾离开时刻t4。汽车以不同速度通过侧风区,这里统一设定t1为0.1s时刻,即考虑了汽车在进入侧风区之前的静止空气中的气动力。

根据2.2节中得到的车身横摆角与气动六分力的关系,在ADAMS Car中采用Akima样条曲线,以插值法在整车质心处添加气动六分力,在t1~t2和t3~t4的过渡期间,气动力是逐渐变化的,这里采用ADAMS中的step函数来模拟[6,7],仿真过程中经过样条插值得到的连续变化的气动六分力如图7~图12所示。

由图7~图12可以看出,各个风速下的气动六分力都呈现出三段平台的特点,即进入侧风区前后的气动力都是存在的;随着车速的增大气动六分力逐渐增大,且车速越大在侧风区内的时间越短。在侧风区内的气动力都为平台趋势,由于采用插值计算方法,所以侧风区内的车身横摆角变化不大。

为了考察载荷简化对侧风稳定性结果的影响,本文将各车速下的气动六分力与气动二分力(即只考虑气动侧力、气动横摆力矩)两种载荷情况都加以计算,仿真得到的计算结果如图13、图14所示。

4 结果分析

4.1 定性与定量分析

从定性分析来看,车辆进入侧风区的初始横摆角为0°,由表2可知,当车速为50km/h时,0°横摆角对应的气流侧偏角约为58°;当车速为80km/h时,0°横摆角对应的气流侧偏角约为45°;由图2可知,初始气流侧偏角58°和45°都处于侧风稳定区域内,安全阈度较大,因此其侧向偏移量不会太大。而当车速为110km/h时,0°横摆角对应的气流侧偏角约为36°,在[-40°,40°]范围内,具有侧风不稳定特征,因此其侧向偏移量会比较大,可能超出安全限值。

定量分析,根据ESV(experimental safety vehicle)规范,当车辆受侧向风扰动产生的侧向偏移量Ey大于安全限值Ey_s时,会有与其他车辆发生碰撞的危险。Ey的最大限值为

其中,WR为车道宽度、WV为车辆宽度,安全限值为Ey_s=0.9Ey_max,当超过安全限值时,危险性急剧上升。不同工况下的侧向位移如表3所示。

从表3可以看出,在气动六分力的作用下,车速为50km/h和80km/h时,其侧向偏移量均未超过安全限值,侧风稳定性较强;而车速为110km/h时的侧向偏移量1027mm超出了最大限值980mm,具有侧风不稳定特征,侧风危险性极大。

不同车速下的车身横摆角如表4所示,从表4可以看出,在侧风作用下的车身横摆角变化比较小,最大只有1°,验证了3.2节中气动六分力载荷曲线的平台特性。

综上,定性分析与定量分析的结果基本一致。

4.2 气动载荷简化对仿真结果的影响

当采用风压中心概念时,作用于汽车的气动力只有三个方向的平动力,而不存在气动力矩;当前大部分研究都是只考虑风压中心的气动侧向力,当转化为质心处理,即相当于只考虑气动侧向力和转化而来的主要的气动横摆力矩,载荷情况较为简单,而实际质心处是一直受到气动六分力作用的。

本文对采用气动二分力和六分力两种载荷情况都做了分析,如图13、图14、表3、表4所示,可以发现在各车速下,只添加气动二分力的侧向位移和车身横摆角均比六分力的侧向位移和车身横摆角大;随着车速的增大,偏移量误差有逐渐增大的趋势;由于高速时侧向偏移量与最大限值较为接近,误差的增大会直接影响评价结果。

因此,气动载荷的简化对仿真结果存在一定的影响,尤其对于高速时的侧风稳定性评价影响较大。

5 结论

(1)根据汽车在侧风区内的实际情况,推导了一般情形下的运动矢量关系;将CFD与多体动力学方法相结合,在外流场初步分析的基础上,利用该矢量关系提出了基于离散气动力六分力系数的瞬态侧风稳定性分析方法,避开了风压中心的计算与测量困难的问题。

(2)在ADAMS Car中建立了详细的整车动力学仿真模型,根据ESV规范进行了侧风稳定性仿真,动力学定量分析与外流场定性分析的结果基本一致,验证了该方法的正确性与有效性。

(3)探讨了气动载荷简化对侧风稳定性仿真结果的影响;只考虑侧向和横摆气动载荷,其侧向偏移量比全面考虑气动六分力大,且随着车速增大误差逐渐增大,对高速侧风稳定性评价结果会产生较大影响。

侧风稳定性论文 篇2

关键词：飞机起飞,着陆,侧风影响,修正措施

1 飞机在地面滑跑时侧风的影响及修正

飞机在侧风中滑跑时, 机轮的摩擦力阻止飞机随风一起向侧方运动。此时, 实际相对气流由飞机滑跑所引起的相对气流和侧风合成, 所以实际相对气流从侧方吹向飞机, 飞机有侧滑。侧滑中, 附加侧力通过飞机重心后面, 形成方向安定力矩, 使机头向侧风方向偏转。此外, 侧滑前翼的升力增大, 侧滑后翼的升力减小, 形成横侧安定力矩, 使飞机向侧风反方向倾斜。可见, 飞机在滑跑中, 侧风要使飞机向侧风方向偏转, 并向侧风反方向倾斜。

修正上述影响的方法是:向侧风方向压杆, 并向侧风反方向蹬舵。压杆是利用横侧操纵力矩来平衡横侧安定力矩, 制止飞机倾斜;蹬舵是利用方向操纵力矩来平衡方向安定力矩, 制止飞机偏转。

2 飞机在空中时侧风的影响及修正

飞机在空中与在地面受侧风的影响是不同的。我们不能把地面的“生活习惯”搬到空中去分析侧风的影响。飞机离地后, 机轮的摩擦力消失, 飞机便逐渐随风一起向侧方运动, 此时, 飞机对地面的运动速度 (地速) 等于飞机对空气的运动速度 (空速) 与风速的合速度。因此飞机的航迹偏离飞机的对称面而产生偏流。例如左侧风时, 航迹右偏, 产生右偏流。空速方向与地速方向之间的夹角叫偏流角。飞机在偏流中随风一起向侧方运动, 但它与空气之间没有侧向的相对运动, 相对气流方向仍与飞机的对称面平行, 飞机没有侧滑。因此, 飞机在空中时, 侧风对飞机的空气动力没有影响。

在空中修正侧风影响的方法有两种:一是侧滑修正法;二是航向修正法。

2.1 侧滑修正法

用侧滑修正侧风的影响时, 飞行员应向侧风方向压杆, 同时向侧风反方向蹬舵, 使飞机向侧风方向侧滑, 以保持航迹不变。例如修正左侧风的影响时, 飞行员应向左压杆并蹬右舵。压杆是为了使飞机带左坡度并向左侧滑;蹬反舵是为了制止因侧滑而引起的机头偏转, 保持侧滑角一定。在左侧滑中, 飞机的空速方向偏左, 加上风速的影响, 地速则正好对正跑道方向。这就是说, 正好抵消侧风使飞机向右偏的影响, 结果对跑道来说飞机的航迹 (地速) 既不偏左也不偏右。

用侧滑修正侧风的影响时, 飞机接地前应回杆改平坡度, 使两主轮同时接地。同时适当回舵, 以免机头向蹬舵方向偏转。

2.2 航向修正法

用改变飞机的航向来修正侧风的影响时, 飞行员应使飞机的航向偏向侧风方向, 以保持航迹不变。例如, 在左侧风的情况下, 航迹要右偏, 应操纵飞机向左转弯, 使其航向偏左。当航向改变的角度等于偏流角时, 将飞机改出转弯, 此时由于空速方向偏左, 再加上风速的影响, 就可以使飞机沿预定的航迹 (地速) 飞行, 不再偏出跑道。

用改变航向修正侧风的影响时, 飞机接地前应柔和地向侧风反方向蹬舵, 使纵轴与跑道平行, 以免接地后纵轴与运动方向不一致。在蹬舵的同时应注意用杆修正飞机的倾斜。

对上述两种修正侧风的方法, 也不能肯定一切, 或者否定一切。

用侧滑修正侧风影响时, 跑道与飞机纵轴一致, 便于根据纵轴保持飞机的运动方向。但由于飞行员蹬满舵后, 飞机所能达到的最大侧滑角是一定的, 如果侧风过大, 飞机所能达到的最大侧滑角就可能小于所需要的侧滑角。此时, 只用侧滑将无法完全修正侧风的影响。

用改变航向修正侧风的影响时, 一般不受风速的限制。但是, 由于改变航向后, 跑道与飞机纵轴不一致, 飞行员不便于根据纵轴的方向来判断飞机的运动方向。

3 侧风起落航线飞行

3.1 侧风起飞的特点

在侧风影响下, 飞机在起飞滑跑中会向侧风方向偏转, 并向侧风反方向倾斜 (侧风过大时, 因倾斜度大, 使两主轮摩擦阴力相差太大, 也可能向侧风反方向偏转) ;飞机离地后, 随气团一起运动, 使航迹偏离原来方向而产生偏流, 因此, 飞机开始滑跑, 即应根据侧风的大———向侧风方向适当地压杆, 保持两主轮载荷均衡, 防止飞机倾斜。随着速度的增大, 副翼效用增强, 应逐渐减小压杆量, 以防一个主轮提前离地。

滑跑中, 左侧风会减小右偏力矩, 蹬左舵的量应适当小一些;右侧风会加剧右偏力矩, 蹬左舵的量应适当大一些。蹬舵量的大小, 应以保持方向不偏为准。三点滑跑前段, 如侧风较大, 方向舵不足以制止方向偏转时, 应适当用刹车进行修正。在两点滑跑中禁止使用刹车修正方向。滑跑后段, 飞机跳跃后产生偏流时, 应柔和带杆使飞机离地, 同时稍向侧风方向压杆形成坡度。离地后, 应向侧风方向压杆形成坡度, 同时蹬反舵保持方向, 用侧滑的方法修正。但坡度不应过大, 以免翼尖擦地。

3.2 侧风建立航线的特点

航线飞行中, 飞机因受侧风影响产生偏流和改变地速, 会使飞机偏离预定的航迹。因此, 上升到高度25 m后, 可继续用侧滑的方法修正偏流亦可用改变航向的方法修正。进入和退出第二转弯的时机应适当提前或延迟, 以便退出转弯时, 航线宽度正常, 同时向侧风方向取好需要的航向修正角, 使第三边的航迹与着陆标志线平行。第三转弯后, 应使飞机航迹对正预定的第四转弯点。如飞机处于顺风时, 地速增大, 收油门下滑和进入第四转弯的时机均应适当提前, 或适当增大第四转弯的坡度;如飞机处于逆侧风时, 则相反。退出第四转弯后, 应使飞机对正跑道中线。侧风较大时, 也可将飞机位置稍靠近侧风方向的一侧。

3.3 下滑及着陆时修正侧风影响的方法

3.3.1 用侧滑的方法修正

退出第四转弯后, 应根据飞机偏离跑道的情况, 判明偏流的方向及影响的大小, 及时适量地向侧风方向压杆形成坡度, 并蹬反舵制止飞机转弯, 使飞机纵轴与着陆标志线平行。当侧滑角与偏流角相适应时, 飞机即对正跑道中线下滑。

下滑中由于各高度上的风向、风速可能不一致, 因此, 应经常检查下滑方向, 及时改变修正量, 始终对正跑道中线下滑。

在用侧滑修正时, 下降率增大, 目测容易低, 应适当加油门修正;消除侧滑后, 应适当收小油门, 防止目测高。着陆时, 应根据侧风影响的大小, 在拉平中或即将接地时改平坡度, 并适当地回舵, 使飞机以两点姿势平稳接地。接地后, 应及时向侧风反方向蹬舵, 保持好滑跑方向, 同时根据侧风的大小, 适当地向侧风方向压杆, 防止飞机倾斜。

3.3.2 用侧滑与改变航向相结合的方法修正

侧风较大时, 可用侧滑与改变航向相结合的方法修正。采用这个方法时, 退出第四转弯的时机应根据风向适当提前或延迟 (左航线飞行时, 右侧风提前, 左侧风延迟) , 以便退出第四转弯后, 机头对向侧风方向的跑道边附近, 形成一个航向修正角进行下滑。然后向侧风方向适当压杆并蹬反舵制止飞机转弯, 形成一个侧滑角。当航向角加侧滑角与偏流角适应时, 飞机即沿着跑道中线的延长线下滑, 若飞机还有偏离跑道中线现象, 应适当增减侧滑角或航向角, 直到飞机不偏离跑道中线时为止。飞机即将接地时, 将坡度改平 (大侧风时, 可保持小坡度接地) , 接地后, 及时向侧风的反方向适当蹬舵, 使飞机纵轴与跑道平行, 保持好滑跑方向。

4 结语

侧风稳定性论文 篇3

针对车辆的气动载荷, 国内外学者主要从实车试验、列车模型试验和数值模拟计算三个方面展开研究［1］。在铁道部组织下我国先后完成了京秦线提速200 km/h列车交会综合试验; 胶济铁路即墨至高密动车组交会的实车试验。列车的模型试验主要包括风洞试验和水洞 ( 槽) 试验两种, 中南大学通过风洞试验分析了270 km/h高速列车外形对空气阻力、升力和横向力的影响; 梁习锋等［2］利用风洞试验研究大风环境下列车空气阻力特性, 得到列车速度, 风向, 风速与列车空气阻力之间的关系式。

上述研究中, 没有区分路况对列车动力学性能的影响, 而实际上, 我国新修建的高速铁路中, 高架线虽占到80% 以上的比重, 但是线路受到地形的影响还会存在不同的形式, 如路堤、路堑、半路堤路堑等, 线路所处地形不同, 导致路基的形状各异。在大风作用时, 在线路上运行的列车周围流场会因运行环境的差异而不同。因此, 研究不同路况对列车气动载荷性能的影响, 对确定车辆气动性能和运行安全性具有重要的意义。

1空气动力学模型及分析

1. 1数学模型

研究不同路况对列车空气动力学性能的影响。 风速采用恒定均匀风, 列车周围的流场分析时, 将其认为是定常流动; 列车最高运行速度取为350 km/ h, 其马赫数小于0. 35, 认为流动是不可压缩的; 湍流模型采用k-ε 两方程模型［3］; 湍流流场内流体性质为黏性、不可压缩、定常、绝热。

连续性方程

动量方程

湍动能方程

湍动能耗散率方程:

式 (4) 中, 1, 2) 为速度分量; cμ、c1、c2、σk、σε为常数; U为速度矢量; p为压强; ρ 为流体密度, μ 为动力黏性系数; μt为湍流黏性系数; k为湍动能; ε 为湍动能耗散率。

1. 2几何模型、计算网格及边界条件

选取CRH2型高速动车组计算模型, 要完全真实的模拟列车无论是从计算机容量还是计算时间、 网格划分都是难以实现的。因此, 要对列车的几何模型进行适当的简化, 将列车长度缩短为三节包括头车、中间车和尾车; 忽略转向架、受电弓和车门等细部特征, 高架线的几何模型参考了我国京津城际铁路32 m双线单箱整孔预应力混凝土梁。路堤常见于既有线路, 对其结构进行简化, 保留路堤的基本外部形状, 将高速列车置于复线路堤上的迎风侧, 列车和路堤上表面之间间隙高度为0. 45 m。

计算区域如图4所示。计算域长为425 m, 流域宽度为220 m, 高度为50 m, 为了避免尾流的影响, 列车尾部距离出口为250 m。采用具有较好适应性的三角形单元, 空间网格采用六面体棱柱和四面体单元, 对车体近壁层和尾流等流场变化大的区域进行网格的细化, 单元总数小于300万。

在侧风的入口将来流风速分解到三个方向, 按照速度入口边界条件给定来流风速; 出口处设置为压力出口边界条件, 压强值为0。将顶部边界设置为对称面边界, 列车车体表面、地面设置为无滑移的壁面边界条件。

在对我国京沪线途径的北京、天津、南京和上海等八大城市的日极大风速统计可以知道, 风速有可能达到30 m/s, 出现次数极少, 但是破坏力极强, 综合考虑我国高速铁路的修建区域天气与风力情况, 本文中计算风速的范围确定为10 ~30 m/s。

1. 3计算结果及分析

1. 3. 1不同路况对周围流场的分析

当列车在不同路况上运行时列车受到横风的流场发生明显的变化, 图5、图6分别是列车在路堤和高架桥上运行时周围的流场迹线图。

从图中可以看出车辆在高架桥上行驶时, 列车周围的空气流场明显好于列车在路堤上的运行情况。列车在路堤运行时, 周围空气由于惯性作用使气流流经路堤边坡后继续沿边坡斜度方向流动, 使得气流到达车体迎风侧的中部位置, 造成更强的气动载荷, 使车辆的运行环境更为恶劣。

1. 3. 2不同路况对气动载荷的影响

横风作用于车体时列车两侧压强发生变化, 会对列车产生气动载荷, 将各节车受到的气动载荷等效到车体质心位置, 并且将气动载荷数值进行转化, 保持与系统动力学模型相同的坐标系。由于主要研究气动载荷对列车运行安全性的影响, 因而不涉及列车所受阻力, 故气动载荷只考虑侧力、升力、倾覆力矩、侧偏力矩和俯仰力矩对车辆的影响。表1列出了车速为300 km/h时, 不同侧风风速下头车、中间车和尾车受到不同方向的气动载荷。

由此可以看出, 列车所受到的气动载荷随着风速的增加而明显变大, 通过对比不同路况时受到的气动载荷, 列车在路堤上运行时要明显比高架桥上运行恶劣。

2列车动力学模型及分析

为了与前面模型对应, 建立的列车动力学模型是由头车、中间车和尾车三节车厢的高速列车动力学模型, 每节车包括车体、转向架和轮对三大部分, 每一转向架由轴箱悬挂和中央悬挂两部分组成。轴箱悬挂和空气悬挂包括垂向、横向和纵向三个方向的弹簧刚度以及减振器阻尼。同时模型包含一些非线性元素, 例如轮轨接触几何的非线性; 轮轨蠕滑非线性; 横向止挡等悬挂特性的非线性。轨道不平顺选用我国京津轨道谱［4］作为轨道的激励如图8、图9, 垂向最大激扰8 mm, 横向4 mm。

2. 1侧风对动力学性能影响

由空气动力学流场分析和气动载荷分析的结果可以知道, 列车在路堤上运行时所受到的气动载荷大于桥梁上, 运行环境更加恶劣, 故此处只对在路堤上运行时进行动力学计算, 图10为风速为10 m/s时, 列车以300 km/h速度运行于路堤上时两侧车轮对比图。

从时间历程曲线中可以看出, 有侧风作用时, 两侧车轮的轮轨力变化明显, 迎风侧减载, 背风侧增载, 背风侧车轮受到很大的轮轨横向力。

列车车速一定, 不同侧风速度作用于车体时, 列车动力学性能会发生很大变化, 图11为风速增大时列车动力学性能的变化。

列车速度不同, 侧风速度一定时列车运行的动力学性能也会发生很大变化如图12。

图11、图12中示出了对不同风速、车速下各车的轮轨横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率的变化曲线, 由此可见, 各项列车运行动力学特性随侧风速、车速的增大而提高。

2. 2安全行车范围

由上面分析可知列车在侧风中运行时, 头车的运行环境最为恶劣, 也就是说列车在侧风中运行的安全性主要是通过头车来体现。根据列车的安全运行范围［5］: 最大垂向轮轨力小于170 k N; 最大横向轮轨力小于56 k N, 脱轨系数小于0. 8, 轮重减载率小于0. 9。因此, 结合头车运行的动力学特性计算结果, 可以确定出不同强侧风风速下列车的最高安全运行速度, 如图13。

随着侧风风速的增大, 列车安全运行速度逐渐降低, 当横风速度小于15 m/s时, 列车可以以350 km / h及以下的速度安全行驶, 风速超过15 m / s时, 四项运行动力学特性随侧风速的增大而逐渐趋于临界值, 其中轮重减载率限定的列车安全运行速度最为严格。

3结论

研究了侧风下高速列车的气动特性和动力学性能, 通过建立三节车的气动模型得到高架线和路堤两种路况的流场和气动载荷分布情况, 并将气动载荷施加到列车系统动力学模型, 较全面地研究了列车的安全运行问题。得到以下结论:

( 1) 列车在高架线上行驶时涡流效应不如路堤上明显, 受到的气动载荷也明显小于复线路堤, 因此相对而言, 在路堤上运行时, 列车的运行条件较为恶劣。

( 2) 侧风速度越高, 列车受到的气动载荷越大, 使列车的运行环境变得更恶劣, 列车最高安全运行速度降低。

( 3) 计算得到的不同侧风速度下的建议安全行车速度, 可以为高速动车组的安全运行速度提供理论依据。

参考文献

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