非一致地震激励下列车—轨道—桥梁耦合振动及行车安全性研究

地震在影响桥梁结构本身安全性的同时，还会威胁其上列车的行车安全。对于高速铁路桥梁，除需满足桥梁抗震之外，还应确保地震时过桥车辆的行车安全性。理论研究和震害经验都表明，地震动具有空间变异性，包括行波效应、失相干效应、局部场地效应和衰减效应。因此，针对高速铁路桥梁，开展非一致地震激励下的列车一轨道一桥梁耦合振动及桥上列车的行车安全性研究，主要研究内容和结论如下。

地震作用对中速磁浮列车-轨道-桥梁系统耦合振动的影响研究

随着磁浮交通线路的不断扩展,地震作用对磁浮交通系统的安全性构成了严重威胁。为探究地震作用对中速磁浮列车-轨道-桥梁系统振动响应特性的影响,基于考虑比例-积分-微分(PID)主动悬浮控制的磁浮车轨耦合关系,在绝对坐标系下建立磁浮列车-轨道-桥梁系统地震响应数值计算模型,其中将车辆简化为具有45个自由度的多刚体,轨道-桥梁结构采用有限元法建立。在此基础上,编制相应的仿真程序,计算只考虑车辆作用、只考虑地震作用以及同时考虑车辆和地震作用3种工况下系统的动力响应,并分析车速对系统地震响应的影响规律。研究结果表明:地震作用对磁浮列车-轨道-桥梁系统耦合振动影响明显,尤其是对横向耦合振动的影响;轨道-桥梁结构跨中竖向位移受车辆作用影响较大,跨中横向位移主要受地震作用影响;轨道-桥梁结构的频域响应与车辆荷载的特征频率及结构固有频率密切相关,地震作用会显著放大轨道-桥梁结构的1阶固有频率振动响应;同时考虑车辆作用和地震作用时,随着车速提高,车体加速度幅值与桥梁跨中竖向位移幅值并非单调变化,而桥梁跨中横向位移幅值呈现下降趋势。研究成果可为后续磁浮列车-轨道-桥梁耦合系统地震响应分析和轨道-桥梁结构设计提供理论支撑。

桥梁跨度对跨座式单轨车桥耦合振动的影响分析

轨道梁结构对跨座式单轨车辆的稳定运行影响很大。为探究桥梁跨度对单轨车辆车桥耦合振动的影响规律,基于铁木辛柯理论和有限单元法建立连续的柔性轨道梁模型,运用多体动力学理论,通过UM建立单轨车辆车桥耦合动力学模型,在UM仿真界面设定不同的桥梁跨度和行车速度,仿真分析直线工况下桥梁跨度变化对车辆系统振动影响规律及运行平稳性的影响。结果表明:随着桥梁跨度增大,轨道梁跨中位移动力学响应值整体呈上升趋势,且当桥梁跨度超过16 m时,这种上升趋势更加明显;轨道梁跨中竖向加速度和轨道梁跨中横向加速度动力学响应值均随着桥梁跨度的增大而增大,然后又缓慢减小,桥梁跨度的变化对于轨道梁跨中横向加速度的影响较小;随着桥梁跨度增大,车体质心竖向位移动力响应明显增大,而车体质心横向位移略有减小;车体质心竖向加速度随着桥梁跨度的增大而增大,而横向加速度受桥梁跨度变化的影响很小。因为桥梁跨度增加会使单轨车辆运行的竖向平稳性指标和横向平稳性指标均有所增加,车辆运行平稳性变差。因此,将桥梁跨度控制在一定范围内对单轨车辆的稳定运行具有十分重要的意义。

基于Seed-PCG法的列车-轨道-地基土三维随机振动GPU并行计算方法

为了解决列车-轨道-地基土三维有限元模型随机多样本计算效率低的问题,本文提出了一种基于Seed-PCG法的高效并行计算方法。基于有限元法和虚拟激励法建立轨道不平顺激励下的三维列车-轨道-地基土耦合随机振动分析模型;针对车致地基土随机振动分析产生的多右端项线性方程组求解问题,采用Seed-PCG方法进行求解。通过PCG方法求解种子系统得到的Krylov子空间进行投影,以改进其余线性方程组的初始解和对应的初始残量,有效提高了PCG法的收敛速度,最后,在MATLABCUDA混合平台上开发了并行计算程序。数值算例表明:相同计算平台下的该方法相比多点同步算法获得了104.2倍的加速;相比PCG法逐个求解方案减少了18%的迭代次数,获得了1.21倍的加速。

基于列车-桥梁耦合振动模型的高温超导磁浮车辆悬挂参数优化

为提高高温超导磁浮车辆在高速运行下的品质,建立了高温超导磁浮列车-桥梁耦合振动模型,分析了桥梁刚度和车辆悬挂参数匹配对车辆系统动力学性能的影响。并通过叠加轨道不平顺谱实现桥梁预拱,分析车辆系统的动力学响应。结果表明:高温超导磁浮车辆在高速运行下,其平稳性对减振器阻尼和桥梁挠跨比的取值较敏感;桥梁挠跨比取1/7752、桥梁挠度取4.1 mm、桥梁预拱量取4 mm时能抵消车辆高速运行过程中桥梁下挠带来的线路不平顺,使车辆动力学性能达到最优。

非一致地震激励下列车-轨道-桥梁耦合振动模型

为探讨行波效应对地震作用下高速铁路桥上列车行车安全性的影响,基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,采用35个自由度的机车车辆模型、板式无砟轨道模型和桥梁有限元模型,通过引入地震多点激励模式,建立了非一致地震激励下的列车-轨道-桥梁耦合振动模型,并编制了相应的仿真分析程序.以跨度32 m的简支梁桥为例,输入El Centro地震波,计算了一致激励和行波激励下车桥系统的动力响应.结果表明:行波效应对耦合系统动力响应幅值的影响很大.当车速为350 km/h、行波速度为300 m/s时的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力比一致激励分别降低84.1%、19.5%和87.8%.因此,忽略行波效应可能造成对地震时桥上列车行车安全的误判.

桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统动力特性的影响

桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统的动力学特性具有重要的影响,直接关系到桥上列车的行车安全性和运行平稳性。基于列车—轨道—桥梁动力相互作用理论,以高速铁路常用的简支箱梁桥和双块式无砟轨道为研究对象,采用列车—轨道—桥梁动力学仿真通用软件TTBSIM2.0,研究桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统动力性能的影响规律。结果表明:当桥梁梁体的刚度或者桥墩的横向刚度不足时,车辆和桥梁的相关动力性能指标将随着刚度的减少而急剧增大,严重影响列车过桥时的安全性和平稳性;当梁体垂向刚度不足时,有可能会引发车桥共振现象;当桥梁结构刚度满足设计规范要求时,车桥系统动力响应指标随刚度变化不明显,此时行车速度和轨道不平顺成为影响行车安全性和平稳性的主要因素。

列车-轨道-地基土耦合系统三维随机振动的多GPU并行计算方法

针对列车-轨道-地基土耦合系统随机计算效率低的问题,本文提出了基于多GPU的列车-轨道-地基土随机振动方程的高效并行计算方法。基于OpenMP-CUDA混编技术将虚拟激励法不同频点下的多个线性方程组求解任务分配给多个GPU并行执行;在每块GPU上,采用基于CUDA的预处理共轭梯度法(PCG)并行求解对称正定的等效静力平衡方程。针对耦合系统等效刚度矩阵的稀疏特性,采用行压缩(CSR)格式存储大型稀疏矩阵以节省内存空间。最终通过MATLAB-CUDA混合平台开发并行计算程序,解决了随机振动分析中多个线性方程组串行求解效率低的难题。数值算例表明,基于四GPU节点的多GPU并行算法和单GPU加速PCG算法的计算效率是串行多点同步算法(MPSA)计算效率的22.59倍和3.75倍。

高速列车—无砟轨道—桥梁耦合系统振动特性分析

根据高速列车—无砟轨道—桥梁系统运动的特点,建立了适合该问题动力学分析的新型车辆单元和轨道—桥梁单元,运用有限元方法和Lagrange方程,推导了两种单元的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵。整个列车—轨道—桥梁系统被离散为车辆单元和轨道—桥梁单元,其中一节车辆离散成一个车辆单元,轨道—桥梁系统离散成四层梁单元。最后通过一个实例计算对整个系统进行垂向振动特性分析。

高速列车作用下双块式无砟轨道与路基垂向耦合振动分析

针对双块式无砟轨道和路基的结构特点,建立车辆-轨道-路基垂向耦合动力学频域分析模型,模型充分考虑机车车辆、双块式无砟轨道和路基的相互耦合作用。车体、转向架和轮对被视为多刚体系统,一系和二系悬挂用弹簧阻尼元件模拟;双块式无砟轨道和路基系统视为多层叠合梁模型,彼此用弹簧阻尼元件联结。推导双块式无砟轨道和路基系统振动响应的解析表达式,计算得出轨道和路基耦合系统的动柔度特性,结合虚拟激励法提出该模型在轨道随机不平顺激励时动力学响应的求解方法,分析高速列车荷载作用下双块式无砟轨道和路基的随机振动响应及其振动传递特性。研究结果表明:在10～5 000Hz频率范围内,钢轨的动柔度幅值远大于道床与路基的动柔度幅值,而道床动柔度幅值在30Hz以上频段大于路基的动柔度幅值;钢轨振动的能量分布频段较道床和路基要宽,道床和路基振动主要集中于163.9Hz左右频段;对于无砟轨道和路基耦合系统的振动功率,钢轨最大,道床次之,路基最小;道床和路基振动功率在100Hz以上中高频段,衰减比较快,而在100Hz以下低频段,其衰减不明显;在300Hz以上高频段,钢轨-路基间振动衰减较大,其主要原因是受钢轨-道床间振动衰减波动的影响。

基于分离迭代和耦合时变的列车—轨道—桥梁耦合系统高效动力分析混合算法

为提高列车—轨道—桥梁耦合系统动力分析的计算效率,基于耦合时变法及分离迭代法,提出了1种混合算法。该算法将列车—轨道—桥梁耦合系统分解为车辆—轨道子系统和桥梁子系统。其中,车辆—轨道子系统在每一时间步需根据车辆位置对系统刚度系数矩阵进行更新,具有时变的特性;桥梁子系统的系统动力系数矩阵在整个动力分析过程中保持不变;车辆—轨道子系统与桥梁子系统通过钢轨与桥梁间作用力的平衡迭代实现耦合。利用朔黄重载铁路32m简支梁桥现场试验数据与由混合算法计算得到的分析结果进行对比,验证了混合算法的可行性。采用耦合时变法和混合算法分别计算列车通过蒙华重载铁路黄河龙门大桥的动力响应,结果表明:采用相同的时间积分步长时,2种方法拥有相同的计算精度,但混合算法比耦合时变法具有更高的计算效率,求解耗时降低了75%。

关于列车-轨道(桥梁)时变系统空间振动方程的建立及其求解

分析了国内外在列车-轨道(桥梁)时变系统空间振动方程的建立及其求解过程中存在的根本问题。基于弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的"对号入座"法则(它不是一般的有限元分析中的计算机编码法和刚度集成法),可以很好地克服这一根本问题,同时还可以简便有效地建立并求解此时变系统空间振动方程,在直线轨道及桥梁上货物列车脱轨计算中取得了良好效果。对2座桥上列车走行安全性、平稳性及舒适性进行了分析,分析结果已被有关铁路局采用。

列车-桥梁耦合振动研究的现状与发展趋势

就车桥耦合振动的研究思路、车辆分析模型、桥梁分析模型、轮轨接触关系、激励源、数值计算方法6个方面,系统综述了20世纪60年代以来列车-桥梁耦合振动研究的现状与进展,总结在上述6个方面已取得的一些研究成果和结论,同时,指出目前研究工作中存在的尚待进一步完善的问题,提出了今后的研究方向。

列车-直线轨道空间耦合时变系统振动分析

建立了一种列车－直线轨道空间耦合振动分析模型，其中车辆（包括机车）表示成１９自由度多刚体系统模型，轨道离散成３０自由度空间轨道单元。以势能驻值原理和“对号入座”法则形成空间耦合时变系统的振动矩阵方程，以振动能量随机分析原理为基础，根据实测构架蛇行波随机模拟出各种速度下的构架人工蛇行波作为激振源，采用Ｗｉｌｓｏｎ－θ法求解各响应的时程曲线，计算结果与列车、轨道振动测试结果一致，首次得出了轨枕横向。

列车-桥梁耦合系统非线性随机振动分析

在轨道不平顺激励下,列车过桥时发生车-桥耦合振动。由于轨道不平顺激励源是随机过程,而轮轨接触关系又是非线性的,因此,车-桥耦合振动属于非线性随机振动问题。用统计线性化方法分析车-桥非线性随机振动。轮轨接触几何关系用5个非线性函数描述,推导车-桥系统非线性振动方程。对车-桥非线性振动方程中的非线性函数进行统计线性化,得到时变的线性车-桥耦合振动方程。用虚拟激励法求解线性车-桥系统的随机响应,提出一种"显式"统计线性化方法,该法在每个时间步均无需作统计线性化迭代。最后,用Monte Carlo法验证了车-桥统计线性化随机振动分析方法具有较高的精度。算例表明,轮轨非线性接触对车辆和桥梁的随机响应影响很大,车-桥随机振动分析应合理考虑轮轨非线性接触。

基于模态叠加法和直接刚度法的列车-轨道-桥梁耦合系统高效动力分析混合算法

为提高列车-轨道-桥梁耦合系统(Train-Track-BridgeCoupledSystem,TTBS)动力分析的计算效率,该文基于作者之前提出的TTBS动力分析混合模型,结合模态叠加法和直接刚度法,提出了一种改进的混合方法(Improved Hybrid Method,IHM)。该方法中,列车动力方程通过多刚体动力学方法建立;轨道结构动力方程通过直接刚度法建立以准确求解其高频局部振动响应,桥梁结构动力方程通过模态叠加法建立以降低其自由度数目。列车和轨道结构通过轮轨线性Hertzian接触关系耦合为列车-轨道耦合时变子系统,轨道与桥梁间通过轨-桥相互作用力的平衡迭代实现耦合。首先以朔黄重载铁路32 m简支梁桥现场试验数据验证了该文方法的正确性。然后,以CRH2型高速动车组通过万宁系杆拱桥为例,探究了桥梁振型数量对动力响应指标计算精度的影响规律,最后,对比三种不同的列车-轨道-桥梁耦合系统动力分析方法的计算结果及耗时,结果表明:同样的计算精度下,该文方法具有更高的计算效率。

列车-桥梁-汽车耦合振动仿真分析

用多刚体系统模拟列车、汽车车辆,用空间梁单元、杆单元模拟桥梁。采用密贴假定及蠕滑理论处理轮轨接触关系,设汽车轮胎与公路桥面为点接触且不分离建立列车-桥梁-汽车耦合振动分析模型,编制仿真分析软件。以某公路、铁路两用桥为例进行列车-桥梁-汽车耦合振动分析。结果表明,列车与汽车同时上桥且随汽车数量增多,列车机车及车辆的竖向加速度、脱轨系数、轮重减载率最大值明显增大,汽车对列车运行安全性具有不利影响。

地震作用下高速列车与桥梁耦合振动分析

为了研究地震作用下高速列车与桥梁耦合振动特性,通过分析JR300系列轮轨高速列车与高架桥在地震作用下的耦合振动,对轨道不平顺、不同地震波对耦合振动响应的影响进行比较研究。结果表明:轨道竖向不平顺会加大车体振动竖向加速度,在地震作用下,车体加速度会接近或超过规定限值;桥梁在地震与列车作用下,考虑轨道的竖向不平顺对桥梁的竖向响应影响较小;不同地震波激励对车桥振动响应影响有较大不同。

磁浮列车车辆轨道耦合振动及悬挂参数研究

基于磁浮列车车辆轨道耦合振动模型，建立了动力学方程，利用编制的仿真程序对车辆轨道的耦合振动进行仿真分析，对于悬挂参数特别是模块侧滚约束参数的影响进行定量研究，确定了悬挂参数的取值范围，并据此对青城山磁浮试验车的悬挂参数设计提出了建议。

考虑轮轨非线性接触的车辆-轨道-桥梁垂向耦合系统随机振动分析

基于列车-轨道-桥梁耦合动力学理论,考虑轮轨接触非线性,采用广义概率密度演化理论建立了列车-轨道-桥梁垂向耦合系统非线性随机振动方程。采用数论选点法结合谱表示-随机函数法生成轨道随机不平顺样本,实现了用两个随机变量和少量样本较精确地反映轨道不平顺功率谱的随机特性。以高速列车-简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道为例,从概率及可靠度角度,考虑非线性轮轨关系中跳轨现象以及轨道随机平顺影响,对比分析了线性与非线性轮轨对车辆运行安全性的影响;计算了不同轨道谱、车辆运行速度下轮重减载率概率密度演化规律及其对车辆运行安全性影响。结果表明,建议的方法可通过较少的随机变量和样本计算得到车辆-轨道-桥梁耦合系统非线性随机动力响应及其概率分布,可为车辆运行安全性评价提供更好的指导。