新型二维轮轨耦合单元及OpenSees实现

基于轮轨竖向非线性接触关系,提出一种新型通用二维轮轨耦合单元模型,并在有限元OpenSees软件平台上实现。所提单元由轮节点和所有可能与之接触的梁单元节点组成,通过建立和求解关于轮轨作用力的一元三次方程,得到轮轨之间的接触力,计算由轮轨相互作用产生的耦合单元各节点力,定义为单元内力。通过与文献中计算结果对比,验证了该单元模型的准确性和可靠性,基于此模型分析高速列车通过桥梁时在轨道不平顺激励和地震作用下的动力响应。此耦合单元模型易于集成到有限元计算平台中,能与已有的列车模型、轨道和桥梁等模型联合使用,能够考虑轨道不平顺和轮轨脱离等情况,可用来分析复杂竖向车桥耦合系统的动力问题。

电梯轮轨耦合高频振动计算模型研究

电梯导轮和导轨相互作用产生的高频振动是电梯噪音的主要来源之一,本文基于导轨、导轮和电梯框架等各柔性构件的频响函数,建立了耦合振动系统的频域计算模型。分析了导轨表面粗糙度、导轮偏心和扁疤等激励对电梯高频振动的影响。通过与实测数据进行比较,验证了计算模型的有效性,从而为电梯的减振降噪设计提供了有用的分析工具。

轮轨耦合作用仿真的轨道简化模型

采用有理分式函数，根据误差均方值最小的原则模拟轨道振幅与相位的频率响应特性，通过求有理分式函数的极值点和分解分式函数建立轨道垂向、横向的简化模型，可以用尽可能少的二阶变系数微分方程描述轨道的振动特性。从而为机车车辆与线路相互作用研究提供了一个适用于工程应用的简单、有效模型。

轮轨耦合系统横向动态响应特性对钢轨波浪磨耗的影响

研究国内某地铁采用科隆蛋扣件小半径曲线段出现严重波磨的原因。在现场调查测试阶段,利用Bi-CAT波磨测试仪获取该区段波磨的基本特征,通过锤击试验法对轨道进行频率响应特性测试;在实验室试验与计算机仿真阶段,通过ANSYS软件建立列车轮对与轨道的耦合三维实体有限元模型,并结合列车轮对模态测试结果,分析轮对的横向模态特征与轮轨系统横向频响特征以及钢轨波磨特征频率之间的关系。通过现场调查测试与计算机仿真得出如下结论:轮轨耦合条件下200 Hz至400 Hz轮对横向模态特征导致的钢轨横向振动是该区段63 mm和40 mm波长波磨形成的原因之一。

考虑不同轮轨耦合作用的高速列车动力学响应分析

基于多体系统动力学理论,利用多体动力学软件建立了某型高速车辆系统动力学模型,对比分析了不同轮轨耦合作用下车辆系统的振动响应,计算得到了两种轮对的非线性临界速度,并合理选取了六种典型线路工况,研究了不同轮轨耦合作用对车辆系统动力学性能的影响.结果表明:轮对弹性变形使车辆系统的非线性临界速度降低,并降低了车辆系统与无质量轨、移动质量轨耦合下的脱轨系数、轮轨横向力和轮轴横向力等动力学指标,但与柔性轨道耦合时,上述动力学指标却升高;当车辆系统与无质量轨耦合时,轮对弹性变形使车体Sperling平稳性指数在横向上最大增幅为5.3%,而在垂向上最大增幅仅为0.7%.

轮轨耦合高速电梯导轨振动特性分析

电梯的不断提速使得导轨的振动越来越明显,降低了高速电梯运行的舒适性和安全性。因此,对在高速状态下电梯导轨振动响应的研究势在必行。文章基于达朗贝尔原理,从轮轨及滚轮与轿厢间的相互作用关系出发,建立了轿厢—滚轮—导轨大系统的耦合动力学模型;采用变量离散下的新型显式二步数值积分法,借助MATLAB软件进行数值仿真,研究了各结构参数对导轨振动的影响规律。结果表明:高速电梯轿厢系统与导轨耦合作用下,导轨的水平振动响应不可忽略且表现出振动挠度和震荡2种形式;导轨表面不平度主要影响导轨震荡,且幅值随其表面不平度增大而增大;轮轨预紧力对导轨振动挠度和震荡均有显著影响,当预紧力取值分别为10、20、40 N时,导轨振动挠度幅值分别为1.9×10^(-5)、3.4×10^(-5)、6.8×10^(-5)m,其振动挠度近似成倍增加,同时导轨的震荡幅值则逐渐减小。

高速铁路轮轨耦合振动模态特征及其影响因素研究

车轮与钢轨构成了一刚柔耦合、相互约束的系统,传统多关注钢轨自身的模态特征,缺少对系统模态的识别。建立车辆-无砟轨道系统动力学模型,获得摩擦功率及垂向力共振特征,通过分析单/双轮对作用下轮轨共振响应及车轮质点-钢轨梁系统的特征值,识别导致轮轨系统共振的2类共4种模式的轮轨耦合振动模态:一类是车轮与钢轨作等幅同相振动的P2共振模态,其容易造成振动能量向簧上及轨下的传递;另一类是转向架范围内双车轮约束下钢轨2阶弯曲、3阶弯曲及pinned-pinned振动模态,其主要导致振动沿钢轨纵向在车轮间传递及反射,对车轮多边形、钢轨波磨的形成有重要贡献。最后对影响轮轨耦合共振的因素进行了分析,结果表明轮轨耦合共振对扣件间距不敏感,但受扣件刚度影响显著,轴距仅对钢轨局部弯曲共振有影响。

基于ANSYS二次开发的轮轨耦合模型及应用研究

基于ANSYS的二次开发技术,首先利用APDL语言提出一种具有广泛适用性的轮轨耦合相互作用计算方法。在该计算方法中,车辆部分基于多体动力学理论建模,并通过APDL语言编程到ANSYS中,再根据有限元理论对轨道部分进行仿真,充分考虑轮轨非线性接触,车辆系统和轨道系统分别采用显式积分和隐式积分求解。然后,通过与文献中采用交叉迭代算法计算得到的车辆-轨道垂向耦合系统动力响应对比,验证模型和计算方法的正确性。最后,以高速列车-CRTSⅡ型板式无砟轨道为例,利用该方法分析扣件失效数量对耦合系统动力响应的影响。研究结果表明:单个扣件失效对车辆系统的动力响应影响有限,对于钢轨的动力响应影响较大;扣件失效数量的增加会显著增大车轨系统的动力响应,加剧轮轨的磨耗和相邻钢轨扣件的失效。提出的计算方法可以对不同型式的轨道结构和轨下基础进行分析,对于轮轨耦合动力特性的研究具有很好的适用性。

考虑轮轨耦合的过山车轨道结构疲劳寿命评估

针对过山车轨道寿命预估难题,完成了基于轮轨耦合关系的过山车轨道寿命预估。首先在ADAMS中基于轮轨耦合进行仿真计算得到轮轨接触力,随后在ANSYS中建立过山车全轨道有限元模型并进行仿真计算,结果显示轨道螺旋段应力明显大于其他轨道单元段,轨道结构中枕轨应力集中现象突出,故以螺旋段枕轨应力最大处作为疲劳校核点。在获得疲劳校核点的应力-时间历程后运用雨流计数法提取循环载荷,最后采用基于疲劳损伤累积理论对轨道进行寿命预估。

轮轨耦合振动行为下高速轮轨噪声研究综述

在铁路轮轨运输系统中轮对系统与轨道系统并非孤立存在的,二者间是相互影响、相互耦合的,对轮轨耦合研究可以更为客观地反映铁路轮轨系统的本质。现如今,高速轮轨噪声已经严重影响了人们乘坐列车舒适性,但高速轮轨噪声无法避免,只能采取措施对轮轨噪声进行控制。本文根据目前国内外学者对轮轨耦合振动行为下高速轮轨噪声理论研究综述了轮轨耦合振动行为下的高速轮轨噪声的研究机理及其预测方法,同时对高速轮轨噪声控制对策也进行了总结和分析。从已有的研究成果来看,目前对于高速轮轨噪声已经较为成熟,但轮轨耦合振动行为下轮轨噪声研究还只是起步阶段,缺乏系统的研究成果。

地铁车辆轮轨耦合振动特性研究

轮轨耦合振动模态是系统固有属性,掌握轮轨间的耦合振动特征对减少车轮不圆磨耗和钢轨波磨有必然性和现实性。文章建立了详细的地铁车辆轨道耦合动力学模型,利用扫频分析方法,研究了车辆和轨道参数对轮轨耦合振动特性的影响。结果表明,车辆和轨道间的轮轨耦合振动主要表现为轮轨间P2耦合振动和由转向架轮对间钢轨局部变形引起的高频轮轨耦合振动,如轮对间钢轨的1阶、2阶和3阶弯曲振动等。轮轨P2耦合共振频率主要在30~100 Hz,钢轨受扣件刚度和簧下质量影响最为显著,随着扣件刚度的增加,轮轨P2耦合共振幅值和频率均增加。钢轨“Pinned-Pinned”振动和转向架轮对间钢轨的3阶弯曲模态是影响轮轨高频耦合振动的主要因素。当振动频率小于1000 Hz时,轮对间钢轨的3阶弯曲是轮轨高频振动的主要驱动力,其主要受轴距、扣件阻尼和轨枕间距影响较为显著。

车轮滑行轮轨热接触耦合有限元分析

为研究轮轨接触温升和热应力规律,用有限元法分别建立锥型踏面车轮和磨耗型踏面车轮在60kg/m钢轨上滑行的三维热接触耦合模型.考虑温度场与结构场相互影响、相关材料参数随温度变化以及轮轨接触问题,对在一定速度下抱死滑行时轮轨温度场和应力场的热—结构直接耦合进行分析.结果表明磨耗型踏面车轮的接触斑面积大于锥型踏面车轮的接触斑面积,且前者接触斑趋近于圆形,后者接触斑为细长椭圆形;材料参数随温度的变化对轮轨温度场和应力场影响很大,不可忽略;温度场对应力场的影响很大,温度升高的趋势与应力升高的趋势相同;磨耗型踏面对轮轨的热损伤比锥型踏面小很多.

高速铁路轮轨关系现场试验方案设计研究

针对我国高速铁路出现的轮轨匹配问题,以车-地联动,时-空统一,动、静结合为原则进行轮轨关系现场试验方案设计,根据我国高速铁路轮轨匹配特点,选取京沪、武广、哈大、兰新、贵广、丹大6条高速铁路开展轮轨关系现场试验。自2016年以来,钢轨静态、车轮静态、车轮多边形、道岔动静态、轮轨耦合振动等测试项目相继开展,初步获取了轮轨状态变化与车辆异常振动的影响关系,积累了大量试验数据,为改善和优化现场轮轨关系问题提供了数据支撑,为进一步完善我国高速铁路轮轨关系技术体系奠定了强有力的基础。

考虑胶轮电车-轨道耦合效应的导轨梁受力分析

为研究胶轮有轨电车系统中导轨梁和螺栓的受力及布置,基于LS-DYNA有限元软件,建立胶轮有轨电车和导轨梁三维有限元模型,分析车辆行驶速度、刹车初速度和螺栓间距对导轨梁和锚固螺栓受力的影响。研究表明,车辆行驶速度对导轨梁Mises应力峰值影响不大,对螺栓纵向剪力峰值有较大影响;导轨梁Mises应力峰值和螺栓纵向剪力峰值随车辆刹车初速度增加而增加;导轨梁Mises应力峰值和螺栓纵向剪力峰值随螺栓间距呈阶梯式增长,在螺栓间距为3.0~4.5 m区间内变化幅度较大。设计时,螺栓间距取值需综合考虑经济性与安全性,建议取3 m;实际运营中,应控制车辆行驶速度在80 km/h左右,并尽可能避免车辆高速紧急刹车制动。

机车车辆与轨道垂向耦合振动简化模型和仿真的研究

阐述了多种车辆与轨道垂向耦合振动简化模型的求解原理，提出一种采用Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ梁的简化模型和仿真方法，并给出运用这类模型模拟现场试验的结果。模型可为研究高速重载条件下的机车车辆转向架和轨道零部件的中低频响应以及结构参数优化提供某种途径。

基于多尺度有限元建模技术的GJ-III型扣件轨道动力特性分析

GJ-III型扣件轨道作为地铁线路一种中等减振轨道,服役后出现钢轨短波长波磨,导致高频轮轨振动噪声问题。为探明该轨道的动力特性,利用ABAQUS软件建立减振扣件轨道的三维有限元模型。为减小有限长轨道边界反射波影响并同时保证计算效率,采用多尺度建模技术将轨道简化为梁-壳-实体模型。利用该模型探究了轮轨耦合作用下的轨道垂向动力特性,分析了扣件垂向刚度和阻尼对轨道垂向频响特性的影响。结果表明:(1)将50.0 m实体轨道模型简化为12.5 m实体和37.5 m梁-壳模型,可节约65.3%的计算时间,同时仿真与现场测试结果基本一致。(2)钢轨垂向一阶弯曲和pinned-pinned共振模态在轨道垂向位移导纳上表征明显,其频带分别为100~150 Hz和1022~1101 Hz。(3)减振扣件轨道在100 Hz以下振动响应表现为钢轨和道床板的整体弯曲和扭转振动;车辆静载集中力引起的钢轨预应力会诱发400~800 Hz轮对间轨道垂向频响峰值。(4)考虑柔性轮对作用后,轨道垂向位移导纳在分别在43 Hz、381 Hz和641 Hz处出现新的明显峰值,分别对应于轮轨耦合的P2共振模态、轮对间钢轨垂向二、三阶弯曲模态。柔性车轮在180 Hz、341 Hz和504 Hz处的振动模态也会引起钢轨垂向导纳出现新峰值。轮对质量效应对减振扣件轨道50~250 Hz内垂向振动有抑制作用,钢轨不易萌生该频段波磨。(5)钢轨垂向一阶弯曲、P2共振和轮对间钢轨垂向弯曲频率均随扣件垂向刚度增加而增加,扣件垂向阻尼仅对轨道导纳波动幅值有抑制作用。

科隆蛋扣件直线路段钢轨波磨形成机理研究

为研究国内地铁科隆蛋扣件直线路段钢轨表面出现的短波长波磨现象,用CAT波磨仪测试钢轨波磨静态特征,通过力锤敲击法测试轨道结构的频率响应函数以及轮轴的模态特性。考虑簧下质量用ABAQUS软件建立轮轨耦合有限元模型,并基于此建立三维瞬态滚动有限元模型,分析轮轨耦合条件下轨道的模态特性以及轮轨瞬态滚动特性。基于轨道结构振动理论与瞬态滚动理论,分析轮轨耦合系统动态特性与钢轨波磨的相关性。研究结果表明:在直线路段左右轨钢轨磨损的程度几乎一致,钢轨波磨主要波长为30~40 mm,在运营车速为80 km/h的车速下波磨波长的通过频率为555~740 Hz;轮轨耦合系统在波磨波长通过频率范围内振动的模态振型主要表现为钢轨相对于轨道板的垂向弯曲振动;在25~50mm短波长凹坑的激励下轮轨垂向力差值显著频率和轮轨耦合系统的垂向弯曲振动频率与波磨波长通过频率相吻合,钢轨波磨的产生与该路段钢轨的垂向Pinned-Pinned频率关系不大,主要是轮轨耦合系统570~710 Hz内钢轨的垂向中高频固有特性被钢轨表面损伤激发导致的。轨道结构波磨的产生主要与轨道结构中高频固有特性相关,轮轨耦合中高频模态特征被激发是诱发和加剧钢轨波磨发展的根本原因。研究成果可为解释科隆蛋扣件直线路段钢轨波磨的形成奠定有关理论基础。

现代有轨电车小曲线段钢轨磨耗特性分析

现代有轨电车线路条件受道路条件影响,小曲线路段较多,且交叉口平交段同社会车辆混行,因而轮轨磨耗现象严重。为了提升有轨电车钢轨寿命,减少运营阶段钢轨维修频率,通过现场调查、比较分析、仪器测试等手段,分析已运营有轨电车线路钢轨非正常磨耗的现状、分布规律以及典型磨耗区段的线路特征。实测过程中发现,部分轨道内外股钢轨踏面已偏离原始廓形,依靠外股的刚性导向作用,过大的横向作用力导致曲线外股侧磨严重。半径400 m以下的小曲线段钢轨主要磨耗类型为有规律的波浪形磨耗,属于典型的“响应型”波磨,符合有轨电车轻载运行的特点。

缩尺轨道与实尺轨道模态特征的相似性研究

为填补建立双轨整车缩尺试验平台的理论空白,本文建立了无载和轮轨耦合条件下的实尺和1∶4缩尺轨道振动模型,采用数值模拟研究无载和轮轨耦合条件下钢轨垂向、横向振动模态特征及相似性,并通过理论计算进行了验证。结果表明:无载条件和轮轨耦合条件下,缩尺模型和实尺模型钢轨的模态振型和频率均具有相似性。无载条件下,对于1∶4缩尺模型和实尺模型,钢轨垂向、横向1阶振型均为钢轨1阶挠曲变形,2阶振型均为钢轨pin-pin振动,缩尺模型的1阶频率约为实尺模型的8倍,2阶频率约为实尺模型的4倍;轮轨耦合条件下,缩尺模型和实尺模型钢轨前4阶模态振型一致,均表现为转向架内1阶—4阶弯曲变形,缩尺模型的1阶—4阶频率约为实尺模型的4倍。

软土层埋深对于地铁振动特性及传播影响规律研究

依据实测南京软土的物理特性,建立了车辆-轨道耦合振动数值模型以及道床-衬砌-软土层有限元计算模型,分析了在地铁运营过程中隧道衬砌和周围土体中的振动能量分布以及能量从隧道拱顶到表层土体的衰减规律,量化研究了地铁隧道埋深对于能量传播衰减的影响以及埋深对于隧道总体沉降的影响规律,为地铁选线及结构设计提供依据。