23215

تحليل سه‌بعدي اندركنش ديناميكي غيرخطي بدنه و بوژي قطار پرسرعت تحت مودهاي نوساني انعطافي جهت ارتقاي راحتي سفر

دكتري تخصصي

ماشين‌هاي ريلي

1393

1399/10/23

دكتر محمدعلي رضواني بابلي

راه آهن

امروزه تمايل سازندگان ناوگان ريلي بر كاهش هرچه بيشتر وزن بدنه واگن مي‌باشد؛ لذا ضروري است رفتار ارتعاشاتي واگن تحت مودهاي انعطافي مطالعه گردد. مطالعات پيشين عمدتاً بر مطالعه اثر ارتعاشات خمشي بدنه بر رفتار ارتعاشاتي واگن تمركز داشته‌اند؛ در حالي‌كه ارتعاشات انعطافي پيچشي بدنه نيز مي‌تواند بر رفتار ارتعاشاتي آن تأثير بگذارد. رساله حاضر در همين راستا و به‌منظور مطالعه دقيق تأثير انعطاف‌پذيري بدنه واگن (مودهاي پيچشي و خمشي) بر رفتار ارتعاشاتي آن انجام پذيرفته است. همچنين سطح راحتي سفر مسافران با استفاده از قاب بوژي‌ها به عنوان جاذب ارتعاشات ديناميكي بهبود يافته است. در اين راستا درجات آزادي جابه‌جايي عمودي و طولي و دوران حول محور عرضي طولي براي بدنه و قاب بوژي‌ها و همچنين درجات آزادي جابه‌جايي عمودي و دوران حول محور طولي براي چرخ‌محورها به‌عنوان درجات آزادي صلب در نظر گرفته‌شده است. جهت شبيه‌سازي ارتعاشات انعطافي واگن، بدنه به‌عنوان تير دوسر آزاد اويلر-برنولي تحت خمش و پيچش مدل شده است. با توجه به رفتار غيرخطي المان ميله كششي كه منشأ اصلي ايجاد اندركنش ديناميكي بوژي-بدنه است، از روش خطي سازي معادل جهت حل معادلات ديناميكي غيرخطي با استفاده از نرم‌افزار متلب در حوزه فركانس استفاده‌شده است. در ادامه از نتايج تست ميداني قطار پرسرعت شينكانسن و همچنين نتايج حل عددي سيستم غير خطي در حوزه زمان جهت صحت سنجي نتايج شبيه سازي استفاده گرديد. نتايج شبيه‌سازي نشان دادند كه شاخص راحتي سفر انتهاي واگن با لحاظ نمودن انعطاف‌پذيري بدنه، 2.1 برابر نسبت به واگن با بدنه صلب تضعيف‌شده است. سپس تأثير اندركنش ديناميكي بدنه-بوژي مطالعه شد و نتايج نشان دادند كه شاخص راحتي سفر در مركز بدنه براي سرعت 300 كيلومتر بر ساعت با حضور اندركنش خطي 7 درصد بهبوديافته است. ازاين‌رو با استفاده از بهينه‌سازي سختي المان ميله كششي، شاخص راحتي سفر در مركز واگن 41 درصد بهبود يافت. همچنين مطالعه اثر ديناميك مسافران بر ارتعاشات انعطافي خمشي مركز بدنه انجام گرديد. نتايج شبيه‌سازي نشان مي‌دهند زماني كه واگن كاملا توسط مسافران اشغال شده است شاخص راحتي سفر در مركز بدنه 13 درصد نسبت به واگن خالي بهبود مي‌يابد. همچنين جهت اثبات وجود پديده اندركنش بدنه-بوژي و نيز تأثير ديناميك مسافران بر ارتعاشات خمشي بدنه، مدل آزمايشگاهي واگن با مقياس 24.5 :1 ايجاد و پديده‌هاي مذكور در مقياس آزمايشگاهي اثبات گرديدند.

1399/11/28

Ride quality enhancement of a high-speed rail vehicle via 3D analysis of the car body-bogie nonlinear dynamic interaction

1/13/2023 12:00:00 AM

To preserve energy and to bring the costs down, the railway rolling stock manufacturers intend to reduce the car body's weight as much as possible. Hence, it turns out as a mission for engineers to elaborate on the rail vehicle's vibrational behavior under its flexural modes. Previous researches have mainly focused on examining the effect of bending vibrations on vehicle dynamics. While imperative, not much attention was paid to the effect of the car body's twisting flexural modes. Therefore, this research has focused on exploring the simultaneous effect of bending and twisting flexural vibrations on the high-speed rail vehicle dynamics. To extract the vehicle's rigid dynamic model, bounce, surge, pitch, and roll of the car body and the bogie frames and bounce and roll of the wheelsets are considered. The Euler-Bernoulli beam is used to simulate the vehicle's flexural vibrations. The bogie-car body dynamic interaction originates from the nonlinear traction rod element's presence within the vehicle structure. The Equivalent Linearization (EL) method is used to solve the nonlinear motion equations in the frequency domain by using MATLAB engineering software. The running test results and the results achieved from the nonlinear system's numerical solution in the time-domain are used to validate the frequency-domain simulations' outcome. With the assumption of a flexible car body, the results demonstrated a 2.1 folds attenuation of the ride quality near the vehicle's end. At the running speed of 300 km/hr, the assumption of linear dynamic interaction exhibits a 7% improvement in the ride quality at the center of the car body, while nonlinear interaction displays a slight decrease in the ride quality at the same location. By optimizing the traction rod stiffness, the ride quality at the center of the car body improves by 41%. The effect of the passengers on the flexural vibrations of the car body is also surveyed. It is confirmed that the passengers' presence causes a 13% enhancement of the ride quality for a fully occupied vehicle compared with an empty vehicle. A scaled model of the vehicle with a scale factor of 24.5 is built to establish the bogie-car body dynamic interaction phenomenon and study the effect of the passengers' positioning on the car body's vertical vibration. This research's significant outcome is that the rail vehicle's ride quality can be advanced using the bogie frames as the dynamic vibration absorber (DVA).

ارتعاشات غيرخطي و تصادفي , ارتعاشات قطار پرسرعت , شاخص راحتي سفر , ارتعاشات انعطافي بدنه واگن , اندركنش ديناميكي بدنه-بوژي

nonlinear random vibration , vibration of high-speed train , ride quality index , flexible vibration of the car body , bogie-car body dynamic interaction