车-轨-桥耦合振动相似试验模型设计与校验

为探究模型试验法在车-轨-桥耦合振动研究中的有效性,基于π定理准则和量纲分析方法,推导车-轨-桥耦合振动原型结构与模型结构之间的相似关系。以10︰1为几何相似比,计算原型与模型结构之间的相似常数,利用有限元方法校验原型与模型结构之间的相似关系。依照弹性力相似律,制作包含车辆-轨道-桥梁结构以及动力加载部分的缩尺模型试验系统,采用试验测试与数值仿真相结合的方法,校验了缩尺轨道箱梁结构的模态振型、模态频率以及模型车移动荷载作用下模型桥的加速度响应在时域与频域范围内的可靠性。研究结果表明:原型结构计算加速度响应值和模型结构计算加速度响应反演值曲线一致,校验了由π定理准则及量纲分析所推导的相似关系的准确性;试验测定轨道-箱梁结构模型振型与数值仿真计算所得振型基本一致,且模态频率误差较小,频率误差最大仅为5.97%。表明基于相似理论设计制作的轨道-箱梁结构缩尺模型能够较好地满足试验要求;试验测试与数值仿真计算的列车移动荷载作用下桥梁加速度响应在时域与频域内结果吻合良好,数值规律基本一致,模型桥动力性能误差在10%以内,表明缩尺模型试验系统能够较为精确地反应时域和频域范围内的车-轨-桥耦合振动特性。本文设计制作的车-轨-桥耦合振动缩尺模型试验系统可靠,可用于复杂工况下的车-轨-桥耦合振动分析。

基于车轨桥耦合模型的重载铁路预应力混凝土T梁剩余疲劳寿命分析

多跨预应力混凝土简支T梁桥在重载铁路线路中应用广泛,随着线路年运量的增长及大轴重长编组货物列车的运行,车桥动力响应加剧,桥梁发生疲劳破坏风险增大。为了解决这些问题,本文建立重载列车-钢轨-预应力混凝土简支T梁桥精细化分析模型,精确求解重载列车过桥时的车桥动力响应;采用雨流计数法统计分析桥梁普通受拉钢筋应力时程,获得疲劳应力谱;基于Miner准则和Corten-Dolan准则,计算典型疲劳列车单次过桥时的桥梁疲劳损伤;利用灰色GM(1,1)模型来预测线路未来年运量,并对预应力混凝土T梁疲劳损伤进行分析,对剩余寿命进行评估。研究结果表明:随着货车编组数量增加,列车过桥引起的桥梁动力响应峰值趋于稳定,仅应力时程中间周期性波动部分相应延长;由于考虑了结构非线性累积损伤的影响,在相同疲劳列车作用时,按照Corten-Dolan准则计算的桥梁疲劳损伤比按Miner准则计算的桥梁疲劳损伤大7.2%左右;4种典型疲劳列车(C_(64)-N-66、C_(70)-1-116、C_(80)-1-108、C_(80)-2-216)独立运送相同运量货物时引起的桥梁损伤之比为1?0.768?0.543?0.457;在线路容许条件下,宜优先开行大轴重且更长联编组的货物列车,在运量相同时可有效降低对桥梁的疲劳损伤;基于车-轨-桥精细化模型和Corten-Dolan准则,采用等效列车历史运营谱和未来运营谱来考虑年运量和疲劳列车大轴重长编组的发展趋势,可更精确评估重载铁路预应力混凝土简支T梁桥的剩余疲劳寿命。

基于扣件FVMP模型的车-轨耦合随机振动分析

针对高速铁路钢轨扣件,结合其动态力学性能试验,基于高阶分数阶导数理论建立扣件动参数频变FVMP模型,并将该模型应用于车辆-轨道随机振动模型中,采用格林函数法及虚拟激励法分析扣件动参数频变对车辆及钢轨结构振动的影响。计算结果表明:扣件的动参数对频率和温度具有明显的依赖性,而高阶分数阶导数FVMP模型能准确表征这种力学行为;扣件动参数的频变特性对车体的垂向振动无较大影响,但对频率在20~70Hz范围内的转向架随机振动有一定影响;考虑扣件动参数频变特性后轮对与钢轨振动所受影响较大,轮对加速度功率谱密度在中频段的峰值相差64.2%,钢轨加速度功率谱密度在中频段的峰值相差55.2%;扣件FVMP模型得到的轮轨随机振动频域分布向高频偏移,且中高频段内轮轨振动响应减小;忽视扣件动参数随频率变化的特性将难以准确表征轮轨中高频段内的振动响应。

基于货-车-轨耦合动力学分析的重车重心高度及管控规则研究

我国现行重车重心高度管控规则已凸显限制铁路货运系统运输能力的矛盾。针对此问题,通过深度剖析货物-车体耦合机制,建立货-车-轨耦合动力学模型,并采用动态Nadal限度评估车辆运行脱轨风险,基于模型仿真分析我国铁路通用货车在正常速度运行时应限制的重车重心限制高度,以及重心高度超过该限值时的相应限速规定。研究结果表明:针对货物装载参数影响车辆动力学行为的研究,动态Nadal限度可有效减小脱轨误判率,相比于经典Nadal限度更适宜作为脱轨风险的评判依据;基于动态Nadal限度判定车辆脱轨风险,我国铁路通用货车的重车重心限制高度可提升至2400 mm;在保证车辆运行安全的前提下,重心超高时的区间限速规定可以合理地适当放宽。

重载铁路隧道车-轨-隧耦合模型及底部结构动力响应影响因素研究

重载列车在提高运输效能的同时也会加剧对基础设施结构的损伤,甚至影响行车安全,因此,开展系统的重载铁路隧道动力响应特性研究具有重要的现实意义。模型在系统分析列车、轨道、隧道底部结构与围岩间相互作用关系的基础上,分别通过赫兹非线性理论定义轮-轨接触和通过修改钢轨竖向坐标的二次建模方法引入轨道不平顺,重点分析和表征了各列车机构、隧道结构体系之间的相互耦合关系,建立了车辆-轨道-隧道一体化三维耦合有限元数值模型,并开展对比验证。研究结果表明:模型的计算结果与既有文献中的实测数据相差较小,最大相对差值为12.2%,说明所建立的车辆-轨道-隧道一体化耦合模型及其参数的选取是合理可靠的。在此基础上,进一步针对列车轴重、围岩条件、填充层厚度和轨道条件4个关键因素对重载铁路隧道底部结构的动力响应影响规律开展了共计15个工况的模拟计算。研究结果表明:隧道底部结构及基岩的主应力、沉降变形均随列车轴重的增大、围岩条件的变差以及填充层厚度的减薄而快速呈线性增大;列车轴重和围岩条件对底部结构的动力响应影响最为显著;适当增加填充层厚度能减轻列车动载对隧道底部结构的冲击作用,对于Ⅳ-Ⅵ级围岩地段,建议填充层厚度不宜小于1.33 m。

沪通长江大桥主航道桥风-车-轨-桥耦合振动研究

为研究沪通长江大桥主航道桥在侧风下桥上行车的车辆抗风安全性,提出风-车-轨-桥系统耦合振动分析框架。该系统动力学模型不仅考虑了轨道结构的参振,其采用的轮轨动态耦合模型还突破了传统轮轨为刚体并始终保持密贴的假定。此外,气动荷载还考虑了桥梁、车辆的存在对彼此的影响。针对沪通长江大桥主航道桥,利用自主研发的WTTBDAS软件对不同车速、风速下系统的动力响应进行分析和讨论,结果表明:车速和风速均对系统动力响应有较大的影响,当风速达到20m/s后,车辆的运行安全性和乘坐舒适性主要由风速控制。根据相应的动力性能评价指标,得到了大风天气下桥上行车的车速-风速阈值。

带多充液圆柱箱航天器姿-轨-液耦合系统参数灵敏度分析

本文建立了带多充液圆柱箱航天器姿-轨-液耦合系统的全模态化动力学模型和一阶状态微分方程,构建了一种具有较高计算精度的半解析计算体系.针对该类耦合系统的动力学状态方程为典型非线性时变系统的特点,且考虑运用理论分析方法对系统进行参数灵敏度分析时所存在的困难,利用数值差分法,对带多充液柱箱航天器的姿-轨-液耦合系统进行参数灵敏度分析,并提出了利用幅值包络图描述系统响应函数灵敏度的方法.依据计算结果,给出耦合系统中各类参数对系统动态性能的影响因子,为指导实验分析和实际工程设计与计算提供一定的理论参考.

考虑扣件温频变的车轨桥垂向耦合系统振动能量研究

通过对扣件进行定频变温试验,结合温频等效原理与高阶分数导数FVMP模型建立扣件的温频变动态力学模型,并在车-轨-桥耦合系统中采用新建模型模拟扣件,基于功率流法系统地分析与评价扣件温频变动态力学性能对车轨桥耦合系统振动能量分布与传递的影响。结果表明:考虑扣件动参数频变会使中高频段内的轨道结构振动能量增大,对低频段的轨道结构振动能量影响较小,且对钢轨传递给轨道板的振动能量影响较大,但对桥梁的振动能量传递影响较小;温度的降低会导致轨道结构的振动能量增大,且会增大61 Hz后中高频段内钢轨传递给轨道板的振动能量,但对桥梁的振动能量传递影响较小;扣件温频变对轨道结构振动能量的分布有较大影响,但对于轨下结构的能量传递影响较小。因此,在轨道桥梁耦合求解振动能量时必须要考虑扣件温频变特性,否则将难以精准预测轨道结构振动能量分布特性。

晶体(NH_4)_2C_4H_4O_6∶VO^(2+)的EPR参量及局域结构的研究

采用叠加模型和双旋-轨耦合参量模型,建立了结构参数与EPR参量之间的定量关系;较好地解释了[VO(H2O)5]2+络离子的局域结构和EPR参量;研究结果发现,(NH4)2C4H4O6:VO2+晶体中络离子[VO(H2O)5]2+的键长为R//≈0.130nm,R⊥≈0.195nm;在(NH4)2C4H4O6:VO2+晶体中,局域结构沿C4轴方向呈压缩的八面体结构;所得EPR参量的理论计算与实验测量数据符合很好。

落石冲击作用下西部山区铁路简支箱梁桥行车安全性研究

为研究落石冲击作用对铁路桥梁行车安全性的影响规律,以西部山区某铁路简支箱梁桥为研究对象,建立充分考虑材料非线性和接触非线性的落石冲击桥梁仿真分析模型和列车-轨道-桥梁耦合动力分析模型;阐明落石冲击桥墩工况下落石冲击力特征,分析落石冲击作用下桥上行车安全性能,并揭示落石冲击速度、冲击角度、冲击高度和落石直径对行车安全性的影响规律。研究结论如下:(1)落石冲击力的峰值随着落石速度、落石直径的增大而增大,落石冲击高度和冲击角度几乎不影响落石冲击力峰值;(2)落石直径的增大会扩大桥墩结构破坏范围,表现为多个冲击力峰值的出现和冲击力时程的延长;(3)落石冲击速度越快,冲击能量越大,对桥上行车安全影响越大,落石冲击高度越接近墩顶、落石直径越大,列车横向动力响应越大,对桥上行车安全威胁越大;(4)落石冲击角度各工况下列车各项安全评价指标时程曲线变化规律相似,对桥上行车安全影响变化较小;(5)轮重减载率对落石直径和冲击高度十分敏感,轮重减载率在落石直径达到2.5 m时超出规范限值。研究成果可为西部山区铁路桥梁全寿命周期的设计和安全运维提供参考。

列车荷载下钢轨振动加速度的空间分布特征

为了探究列车通过时钢轨振动的基本参数和敏感区域,基于多体动力学软件GENSYS和有限元软件ABAQUS,分别建立车辆-轨道动力学模型和轨道-下部基础有限元模型.以动力学模型计算得到的轮轨力为激励,输入轨道-下部基础有限元模型,计算分析车速、轨道不平顺和钢轨支承方式等因素对钢轨加速度的影响.研究结果表明:钢轨加速度从轨头到轨底逐渐减小,轨枕上方轨头加速度明显大于轨枕之间.钢轨加速度对车速最为敏感,车速从200 km/h增加到350 km/h时,无砟轨道轨头加速度从1.476 km/s2增加到2.980 km/s2.连续支承式无砟轨道,钢轨加速度小于传统离散支承式无砟轨道.加速度传感器建议安装在轨头外侧,传感器的采集频率、量程应考虑列车速度、轨道不平顺等影响.

不同激励作用下钢弹簧浮置板轨道减振效果研究

为了研究不同激励作用下钢弹簧浮置板轨道的减振效果,该文建立了二维车辆-轨道耦合动力有限元模型,考虑了普通整体道床和钢弹簧浮置板轨道两种轨道型式,对比和分析了在冲击荷载、移动常力和移动列车荷载作用下,两种轨道结构的振动响应,并通过插入损失评价不同荷载作用下钢弹簧浮置板轨道的减振效果。结果表明:(1)与移动常力作用相比,冲击荷载会高估钢弹簧浮置板轨道的减振效果。(2)与移动单节车辆作用相比,冲击荷载在钢弹簧浮置板轨道自振频率以下频段会低估其减振效果,在125 Hz^400 Hz频段内会高估减振效果。

随机车轮不圆顺及车辆参数对轨道频域振动响应影响分析

列车引起轨道振动响应受车辆参数及车轮养护维修状态差异等因素影响,短时间内不同地铁列车通过某一固定测试断面引起的振动响应呈现显著的不确定性,且在频域内不同频段的离散特征差异明显。为研究车轮不圆顺及车辆参数随机性对轨道振动响应的影响,以不同运营里程地铁列车车轮不圆顺实测样本为基础,构建了随机车轮不圆顺谱;测量了某地铁隧道区间轨道动态不平顺、钢轨表面粗糙度及轨道垂向振动响应;基于车-轨耦合频域解析模型,采用随机模拟法计算了随机车辆参数及随机车轮不圆顺联合作用下的轨道频域振动响应。研究发现:采用实测车轮不圆顺耦合轨道不平顺作为激励,计算获得频域轨道振动响应与测试值吻合良好,8 Hz~200 Hz的平均绝对百分比误差为2.4%;随机车辆参数、随机车轮不圆顺耦合实测轨道不平顺作用下,8 Hz以下的振动响应未出现显著的离散;16 Hz以上的振动加速度级离散明显,并均呈现正偏态分布特征;63 Hz以上频段分频振动加速度级离散超过20 dB。

弹性垫层温频变特性对减振型CRTSⅢ板式无砟轨道振动响应影响研究

针对弹性垫层,首先通过其动态力学性能试验,基于高阶分数阶导数FVMP(fraction Voigt and Maxwell model in parallel)模型并结合温频等效原理,表征弹性垫层的温频变特性,然后将该模型应用于车辆-轨道垂向耦合系统中,最后分析弹性垫层温频变特性对轨道结构振动响应的影响。研究结果表明:温度和加载频率对弹性垫层的动态力学性能有显著影响,而高阶分数阶导数FVMP模型能准确表征这种力学行为;在时域响应中,垂向轮轨力、钢轨垂向位移、钢轨垂向振动加速度和轨道板垂向振动加速度在FVMP模型下计算的峰值明显比K-V(Kelvin-Voigt)模型下的峰值大;在中高频段内,轨道结构各部分的响应都表现为FVMP模型下的响应比K-V模型下的响应大,而且轨道结构各部分的响应呈现出随温度降低而减小的趋势。在进行仿真分析时,为提高对轨道结构预测的准确性,有必要考虑弹性垫层的温频变特性。

减振垫层温频变动力性能对无砟轨道振动特性影响

以减振垫层为研究对象,首先通过动态力学性能试验,基于高阶分数阶导数FVMP模型并结合温频等效原理,表征减振垫层的温频变特性;然后将该模型应用于车辆-CRTSIII板式无砟轨道垂向耦合系统中;最后分析了减振垫层温频变特性对轨道结构振动响应的影响.结果表明:温度和加载频率对减振垫层的动态力学性能有显著影响,高阶分数阶导数FVMP模型能准确表征这种动态力学行为.在时域响应中,轨道板位移和加速度在FVMP模型下计算的峰值明显大于Kelvin-Voigt(K-V)模型下的峰值.FVMP模型在各参考温度点下轨道板位移的响应呈现出随着温度的降低而减小的趋势,而轨道板加速度则呈现随着温度的降低而增大的趋势.在中高频段内,轨道板的响应表现为FVMP模型下的频域响应大于K-V模型下的频域响应,FVMP模型各参考温度点在该频段内轨道板的响应表现为随着温度的降低而减小的趋势.因此,为提高对轨道结构预测的准确性,有必要考虑减振垫层的温频变特性.

风屏障破坏所致风载突变对桥梁列车行车安全影响研究

为研究桥上风屏障局部破坏对桥梁列车行车安全性的影响,以某四塔公铁两用斜拉桥为背景,进行列车动力响应和行车安全性影响参数分析。推导列车通过风屏障破坏段时车辆和桥梁的风荷载,并通过桥梁和列车节段模型风洞试验,测得计算所需气动力系数;在此基础上建立风-车-轨-桥耦合振动模型,研究了风屏障破坏段长度、平均风速和列车车速对列车动力响应及行车安全的影响。结果表明:突风效应会导致列车横向位移达到最大值,遮风效应会使列车横向加速度达到最大值;随风屏障破坏段长度、平均风速和列车车速的增加,列车动力响应随之增加;风屏障破坏会增加列车的轮重减载率和脱轨系数,并且高风速下各节车辆在风屏障破坏段的脱轨系数差异较大;仅在风速不大于10 m/s时,列车可以180 km/h的车速安全通过风屏障破坏段。

晶体PZCST:VO^(2+)的EPR谱及光吸收谱的理论研究

采用双旋-轨耦合参量模型和3d1电子组态在四角对称下的能级公式,计算了KZn-ClSO4·3H2O(PZCST):VO2+的EPR谱和光吸收谱,所得EPR谱和光吸收谱的理论结果与实验发现符合得很好.研究发现,该晶体沿C4轴局域对称结构呈压缩的四角畸变,其大小为0.47nm;大的κ值表明VO2+的未配对电子的自旋极化对超精细结构常数有着较大的贡献.

锌磷酸盐玻璃掺杂VO^(2+)吸收光谱和EPR谱研究

3d1离子(如VO2+,V4+)是一类非常重要的离子,其掺杂电子顺磁共振谱已有大量的研究,积累了丰富的实验数据。利用3d1离子在四角压缩八面体对称中EPR参量的高阶微扰公式,计算了锌磷酸盐玻璃晶体中掺杂VO2+的EPR参量(g因子g‖,g⊥和超精细结构常数A‖,A⊥)和光吸收谱。由于锌磷酸盐玻璃晶体中掺杂VO2+中配体O2-的自旋-轨道耦合参量ζ0p(≈150cm-1)与中心过渡金属3d1离子V4+的ζ0d(≈248cm-1)相差不太大,故来自配体的自旋-轨道耦合参量ζ0p对EPR参量和光吸收谱的贡献必须予以考虑。采用重叠模型建立了杂质中心结构参数与电子顺磁共振(EPR)参量以及光吸收谱之间的定量关系;通过拟合锌磷酸盐玻璃中V4+中心的EPR参量和光吸收谱理论与试验符合,获得了杂质中心[VO6]8-基团的局域结构;研究发现,[VO6]8-基团的平行和垂直于C4轴的键长分别为:R‖≈0.175nm,R⊥≈0.197nm,即[VO6]8-基团的局域结构为沿C4轴方向呈压缩的八面体结构;所得EPR参量和光吸收谱的理论值与实验符合很好,并对上述结果的合理性进行了讨论。这说明微扰法可以用来研究材料中掺杂3d1过渡金属离子的EPR参量和光吸收谱。此外,对超精细结构常数(A‖和A⊥)的研究发现,较大的芯区极化常数κ值说明VO2+中未配对的s电子对超精细结构常数有较大的贡献。

车型及编组对地铁运营诱发环境振动的影响研究

为了探明车型及编组对地铁环境振动的影响及水平,应用薄片有限元-无限元耦合模型及周期性车轨动力耦合模型对常用地铁车型及编组组合方式下列车运营诱发的环境振动进行综合分析及比较。分析结果表明:①不同车型及编组地铁列车诱发环境振动的时程、频谱、1/3倍频程谱及地表Z振级衰减曲线具有类似的趋势,但相应量值有所差别;②地铁车型及编组对5 Hz以下的低频环境振动有较大影响;③当保持其他因素不变,将6节编组列车扩展为8节编组列车,或将动拖车组合编组改变为全动车编组,抑或选用A型车(相较于选用B型车)为运营车辆,都会造成地表Z振级产生多达约1.5 dB的增加;④车型及编组的不同组合对地表Z振级的影响最大可达3.2 dB。

大跨斜拉桥上无缝线路纵向力的变化规律研究

研究目的:大跨度斜拉桥结构复杂,为"塔-索-梁"空间组合结构,铺设无缝线路后,在荷载作用下,会形成"塔-索-梁-轨"耦合作用体系,其无缝线路力学传递机理极为复杂。以安庆长江大桥为例,通过建立大跨度钢桁梁斜拉桥上无缝线路"塔-索-梁-轨"空间耦合计算模型,分析不同体系温差、斜拉索修正弹性模量、纵向阻力模型及小阻力扣件的影响,为大跨度斜拉桥上无缝线路设计提供理论依据。研究结论:研究结果表明,随着斜拉桥体系温差变化幅度增大,钢轨伸缩附加力明显增加;斜拉索弹性模量修正与否对伸缩力和制动力影响较小,而对挠曲力影响较大;采用不同纵向阻力模型,伸缩力计算结果相差不大,挠曲力和制动力计算结果有较大差别;采用小阻力扣件可降低无缝线路纵向附加力,且应结合工程造价优先考虑在斜拉桥边跨和两侧引桥上铺设小阻力扣件方案。