表2 评价指标权重运行评价指标权重脱轨系数0.3037轮重减载率0.1358倾覆系数0.2302列车垂向振动加速度0.0524列车横向振动加速度0.0524轮轨垂向力0.0718轮轨横向力0.0718轮轴横向力0.0400钢轨垂向位移0.0419

参考文献[10]，考虑各动力学指标对运行的影响以及各指标对应的评价等级，制定各指标对应评价等级的分值，具体分值见表3。

表3 评价指标对应评价等级的分值评价指标脱轨系数、列车垂向振动加速度、列车横向振动加速度轮重减载率倾覆系数、轮轨垂向力、轮轨横向力、轮轴横向力、钢轨垂向位移评价等级分值优秀0良好1.8合格5不合格100良好0允许5不合格100合格0不合格100

对各区段线路设计方案进行仿真试验，得到各计算点的运行评价指标后，按照对应权重与分值计算动力学性能指数，取动力学性能指数最小值的方案作为最合适的线路设计方案。

3 基于动力学的线路设计方案优选方法实例

3.1 列车、线路及轨道模型

客车动力学模型由轮对、构架、一系悬挂、二系悬挂和车体等组成。考虑到头车及尾车的影响，以3节客车模型为研究对象，列车模型由3个车体、12个构架、12个轮对组成。其中，车体及构架有6个自由度，即纵向、横向、垂向、侧滚、摇头、点头；前后12个轮对有3个自由度，即横向、垂向、摇头，整车共126个自由度[11]，轨道结构包括钢轨、轨枕、扣件、道床、路基等，钢轨与轨枕、轨枕与道床之间采用弹簧连接[12]。

多体动力学分析软件—SIMPACK，可以对轨道车辆的动力学性能进行仿真[13]。采用SIMPACK建立车-轨耦合动力学模型，运用有限元软件ABAQUS建立轨道结构动力学模型[14]，图3和图4为建立的动力学模型。

图3 车-轨耦合动力学模型

图4 轨道结构模型

将建立好的动力学模型进行名义力计算，模型的残余加速度小于0.001 m·s-2[15]，设置为与文献[16]相同的工况，且将建立的客车模型进行仿真计算，结果如图5所示。钢轨模拟采用Euler梁[17]，在80 kN的荷载作用下轨道结构模型的Mises应力分布云图见图6。可见除了轨头与车轮接触区应力最大之外，轨腰应力响应较大，达到25～50 MPa。由图5、图6可知，结果的变化趋势及变化幅度与文献[16]和文献[18]基本一致，进而验证本文车辆-轨道耦合模型的准确性。

图5 车辆横向加速度结果

图6 Mises应力分布云图

选取阳安线西乡至汉阴段的实际线路进一步说明以及验证基于动力学的线路方案优选方法，该条线路位于陕西省南部，跨牧马河至石泉县站，经过汉江、池河最终到达汉阴站，因K281+000～K284+350区段曲线段较多、曲线半径较小且存在反向曲线，故选取该区段作为试验线路[19]，设计方案1与设计方案2的平面线路参数见表4、表5。设计方案1区段和设计方案2区段的最后一个曲线段为左偏曲线，其余曲线段均为右偏曲线。

表4 设计方案1区段平面线路参数线型长度/m半径/m超高/mm直线段缓和曲线1130—0～150圆曲线1365.缓和曲线2120—0～150直线段297.8900缓和曲线370—0～59圆曲线222.缓和曲线470—0～59直线段缓和曲线5130—0～160圆曲线3429.0缓和曲线6140—0～160直线段468.700缓和曲线7125—0～150圆曲线4700.缓和曲线8115—0～150直线段537.3300

表5 设计方案2区段平面线路参数线型长度/m半径/m超高/mm直线段缓和曲线160—0～150圆曲线1422.缓和曲线2100—0～150直线段2119.400缓和曲线3100—0～118圆曲线2317.0缓和曲线4100—0～118直线段缓和曲线5150—0～147.5圆曲线3515..5缓和曲线6150—0～147.5直线段479.7200

设计方案1区段以及设计方案2区段的线路纵断面参数如图7所示。

图7 线路纵断面设计

3.2 仿真实验结果分析

为模拟最恶劣工况条件，在2个方案的区段线路上添加美国五级谱轨道不平顺[20]，并分别以不同运行速度进行仿真实验，线路中每10 m作为一个计算点，经过实验得到各指标计算结果最大值如图8所示。

由图8可知，对于大部分指标呈现的趋势为：随着运行速度的增大，各指标也随之增大。对于列车垂向振动加速度以及轮轨横向力，方案2的指标一直要比方案1的大；对于轮轴横向力，方案1与方案2各有大小；而对于其他指标，方案1的指标均要比方案2的大，且方案1与方案2均能满足动力学要求，即两种设计方案均可以使列车安全平稳的运行。但从动力学的角度，在各种运行速度下，方案1的动力学性能指数均要比方案2的动力学性能指数大，即方案2的设计方案略优于方案1设计方案。

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0318/556.html

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