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。