随着我国高速铁路网覆盖面积增大,西北地区高速铁路建设得到巨大发展,列车在气候条件恶劣地区的运营里程也在不断增加,保障已建成线路的安全高效运营成为重点。本文针对兰新线所处地区气候特点,以32.6m高速铁路简支梁桥和三车编组的动车组为研究对象,研究了侧风和风雨联合作用下列车-轨道-桥梁系统的动力响应,探究了风速和降雨强度对列车和桥梁所受气动荷载的影响。此外,基于多体动力学理论,分析了桥上列车各项动力指标随风速、降雨强度和车速的变化规律,提出了车辆在风雨环境下行驶时的各项安全阈值。并以此构建了一套适用于兰新线地区的风雨环境下桥上列车行车安全阈值体系。主要研究内容及结论如下:(1)在阐述计算流体力学和多相流基本理论的基础上,分析了雨滴在空气中的分布特性,并以此选取标准k-?两方程湍流模型和欧拉-拉格朗日离散相模型求解风雨同时作用下列车和桥梁的气动荷载。此外,结合服从M-P分布的雨滴谱定义了风雨环境中雨滴粒径、雨滴数和降雨强度的关系。(2)介绍了多体动力学及车-轨-桥耦合振动求解的基本理论。在此基础上,采用SIMPACK建立了车辆多体动力学模型,通过ANSYS建立了高速铁路简支梁桥和无砟轨道有限元模型。同时,通过联合仿真手段采用有限元-多体动力学接口(FEMBS)完成了车-轨-桥耦合振动分析模型的建立。此外,运用德国低干扰轨道谱密度模拟轨道随机不平顺。为获取风雨环境下列车和桥梁所受气动荷载,采用ICEM CFD和FLUENT建立了风雨环境下桥梁、列车空气动力学数值仿真模型。(3)基于国家气象统计数据,随机选取我国西部三个气象基站,通过分析三个基站的环境风和降雨统计数据,确定了适用于兰新线地区气候特点的环境风、降雨工况。通过计算发现:在侧风作用下,列车和桥梁所受的气动荷载与风速大小成正相关。其中,中间车的阻力和升力最大,最大阻力和升力分别为40.4k N和-14.04k N,但中间车基本不受摇头力矩作用;头车所受点头力矩与中间车和尾车相反但作用值最大。风雨联合作用下,降雨强度的增大将会导致列车和桥梁所受阻力和升力加大,但对桥梁气动力的影响不明显;三节车的点头力矩和倾覆力矩随着降雨强度的加大,最大可提升40%左右;降雨对列车摇头力矩的影响较小。不同风速条件下,降雨强度对于列车所受气动荷载的影响程度也不同。风速较低时,雨滴横向速度不高,对阻力的提升不大而主要是影响列车所受升力。在风速增加至15m/s到20m/s时,降雨对列车所受气动荷载的提升率最大。降雨的影响不会随着风速增加而一直加大,当风速过高时,降雨能提升列车所受气动荷载,但影响不明显。(4)在研究风雨环境下高速铁路简支梁桥桥上行车安全时,由于简支梁桥自身的刚度较大,风速引起的系统气动荷载变化并不会对列车过桥时的桥梁加速度和挠度产生过大影响,而主要是影响列车的各项动力性能指标。其中,车体横向振动加速度和轮重减载率对环境变化反应最为敏感。在选取以轮重减载率为评价标准进行环境风速、降雨强度和行车速度阈值取定时,认为当风速≤20m/s时,列车可以以300km/h时速安全运行;当风速≤24.5m/s时,列车运行速度应不超过250km/h;当环境风速≤26.5m/s时,列车行驶速度应保持在200km/h及以下;当风速高于26.5m/s时,在所考虑的三种行车速度工况中,建议应当封闭交通。此外,降雨会导致列车运营环境恶化,若环境风速不发生改变,降雨强度的增加会导致列车最高运行速度降低。这也说明了,对于风速较大、降雨量多的地区,在研究高速铁路列车运行安全时,应该考虑降雨的影响。