《高速列車設備艙裙板顫振與支架損傷機理研究》是依託北京交通大學，由王文靜擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：高速列車設備艙裙板顫振與支架損傷機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：王文靜
- 依託單位：北京交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高速列車車下吊裝的封閉設備艙為一細長箱型結構，大型設備均安裝在內，外部封蓋薄壁裙板和底板，其結構損傷是高速列車運行重大安全隱患，設備艙壁板顫振是造成其部件損傷的最直接原因。本項目研究氣動載荷、振動載荷與設備艙部件損傷的對應規律，基於等損傷理論，建立設備艙裙板的氣動載荷譜、振動載荷譜以及支架的應力譜；將多體系統動力學、有限元分析和模態分析相結合，建立高速列車設備艙裙板三維壁板顫振氣動彈性力學模型，確定設備艙裙板顫振發生的臨界條件，揭示其顫振機理，提出避免裙板顫振或抑制裙板顫振的方法；研究設備艙支架的疲勞行為及損傷機理，建立其壽命預測方法，提出設備艙安全設計準則。本項目的開展對最佳化車下設備艙結構、提升車下設備艙承載結構設計水平、確保行車安全具有重要的工程意義和學術價值。
結題摘要
高速列車行駛過程中，其設備艙內外氣流不斷發生擾動，對列車車身及其附屬裝置產生氣動作用。在氣動載荷的作用下，高速列車裙板吊掛及支架發生疲勞開裂，嚴重威脅列車的行駛安全。 針對這一問題，本研究對列車腳踏車明線運行、腳踏車過隧道、明線交會三種運行工況進行了瞬態空氣動力學模擬，全面分析了列車氣動力特性、流場結構和表面壓力分布規律，編制出了設備艙的氣動載荷譜；建立了設備艙裙板顫振力學模型，依據穩定性理論分析壁板氣動彈性穩定性，確定了設備艙裙板的顫振速度邊界；對設備艙支架模組進行氣動載荷和振動載荷下的簡諧振動仿真分析，開展了設備艙支架模態試驗和線路動應力測試，分析了支架損傷機理並預測了設備艙支架的疲勞壽命。 （1）利用三維可壓縮瞬態數值模擬方法，對腳踏車進入隧道和兩列車明線交會的氣動特性進行研究。結果表明，在隧道中，列車表面負壓可高達明線運行的3到5倍，且高壓分布範圍擴大，對結構疲勞強度影響將更加明顯，靠近隧道一側的表面壓力波動更劇烈；交會工況對裙板壓力的影響大於對設備艙底板的影響，且交會側的列車表面壓力波動大於非交會側，上述兩種運用工況下的氣動載荷應作為裙板載荷譜的來源。 （2）分析了不同運行工況下的列車表面氣動壓力分布規律，對不同工況下得到的氣動載荷進行編譜，得到了不同工況下的氣動載荷譜。 （3）從結構振動理論和氣動力學理論出發，採用里茲-伽遼金法、微分求積法對二維壁板在亞音速作用下的流-固耦合方程進行離散、求解，依據穩定性理論分析壁板在兩端固定、懸臂約束邊界條件下的氣動彈性穩定性，確定了壁板的臨界顫振、發散失穩的速度邊界以及顫振頻率邊界；分析了壁板的材料、結構參數等因素對壁板顫振的影響。 （4）設備艙支架上筋板與L型板連線部位上焊縫角端和下焊縫角端的一階主頻均為14.6Hz，這與採用力錘敲擊獲得的支架一階模態頻率（13Hz）非常接近，表明支架在車輛運行過程中產生了共振現象。設備艙裙板和底板內、外側氣動壓力差激勵與設備艙支架產生共振導致其運用中產生高應力幅值，是其疲勞開裂的主要成因。 （5）根據設備艙支架實測應力譜和鋁合金支架焊接接頭S-N曲線計算得到支架實際裂紋發生部位（上筋板與L型板連線部位焊縫角端）的最短壽命為14萬公里，與實際發生支架裂紋的動車組運營里程相吻合。
