基于气动弹性理论的弓网系统动力学研究

A trend towards to higher train speeds has evolved in the Chinese railway transportation. The high-speed pantograph/catenary system is an important power transmission device, and the contact situation between the pantograph and catenary would affect the power reception quality of the locomotives. The aerodynamic force is the main excitation on the high-speed pantograph/catenary system. To understand in details the dynamical behavior of high-speed pantograph/catenary system in aerodynamic condition has an important theoretical significance and good prospects for engineering applications. This project is to address the dynamical behavior from the perspective of aeroelasticity so as to reveal the effects of aerodynamic force on the response of pantograph/catenary system and provide some theoretical basis for the aeroelastic design and running safety of high-speed pantograph/catenary system. The main contents are: (1) establishing the dynamical model of the high-speed pantograph/catenary aeroelastic system; (2) developing the computation method for the aeroelastic response of the pantograph/catenary system; (3) the aeroelastic response analysis of the pantograph/catenary system in different flow fields; (4) sensitivity analysis of structural parameters on the aeroelastic response of the pantograph/catenary system.

高速铁路已成为我国铁路运输发展的主流。高速弓网系统是高速列车的动力输送装置，受电弓与接触网之间的接触状态的好坏将直接影响机车的受电质量。气动力是高速弓网结构上的主要外激励力。详细了解气动环境下高速弓网的动力学行为具有重要的理论意义和良好的工程应用前景。本项目拟从气动弹性力学的角度来研究气动环境下高速弓网系统的动力学行为，以期揭示气动力对高速弓网结构动力学响应特性的影响机理，为高速弓网系统的气动弹性设计和安全运行分析提供理论依据。本项目拟研究的主要内容为：（1）高速弓网气动弹性耦合系统动力学模型的建立；（2）弓网系统气动弹性响应计算方法的建立；（3）不同流场条件下弓网系统气动弹性响应特性分析；（4）结构参数对弓网气动弹性系统响应的敏感性分析等。

列车高速运行时，气动力对受电弓接触网系统响应有重要影响，将直接影响弓网接触性能。本项目从气动弹性力学的角度出发，针对气动环境下高铁弓网系统的气动弹性特性、弓网系统的气动弹性响应以及弓网系统的接触关系等直接影响车辆运行安全的问题开展基础性研究，为高铁弓网系统的气动弹性设计和安全运行分析提供理论依据。主要内容包括：(a)高速弓网气动弹性耦合系统动力学模型的建立；(b)弓网系统气动弹性响应计算方法的建立；(c)不同流场条件下弓网系统气动弹性响应特性分析；(d)结构参数对弓网气动弹性系统响应的敏感性分析。取得的主要成果是：从气动弹性力学角度出发，采用动态子结构方法结合弓网接触力、接触点位移作为子结构对接协调条件建立了一种新型的弓网系统动力学模型，该模型可以考虑弓网结构上的气固耦合效应以及弓、网接触处的摩擦效应；采用数值仿真得到的气动力升力、阻力系数，基于Den Hartog 垂向舞动机理，分析了覆冰接触网的稳定性，得到了临界状态下的初始凝冰角；采用维数分裂法结合投影方法，建立了不可压缩三维流场的数值仿真方法；基于前述弓网系统气动弹性新模型，建立了脉动气动力载荷作用下弓网系统的动态接触压的数值仿真分析方法，采用频谱理论和特征分析理论来分析不同流场下的弓网气动弹性响应特性和弓网接触压力的变化特性；针对受电弓开口或闭口运行、升弓角、弓网接触摩擦系数、接触网覆冰参数等等进行了变参分析，给出了参数变化对系统气动弹性响应的影响规律。