桥墩沉降下列车-轨道-桥梁系统动力性能分析

为探明桥梁沉降与钢轨空间几何变形映射关系及其对列车动态行为的影响,建立轨道-桥梁多尺度有限元分析模型,开展桥墩沉降下钢轨变形映射分析研究;构建列车-轨道-桥梁系统相互作用分析模型,将桥墩沉降诱发的钢轨变形视为系统附加不平顺,探究桥墩沉降对列车系统动态行为的影响。结果表明:桥墩沉降诱发轨道几何平顺性产生显著变化,其将改变不平顺的中长波成分,进而对列车行车性能产生影响;差异沉降是影响列车性能最主要的因素,随着差异沉降幅值的增大列车最大加速度和平稳性指标均呈增大趋势,差异沉降对列车动力行为的影响大于一致沉降;提出基于行车性能的桥墩沉降阈值和行车速度,单墩沉降50 mm时,列车行车速度不应大于300 km/h,当行车速度为400 km/h时,应控制桥墩沉降量不大于35 mm。

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。

车辆-轨道非线性耦合系统显隐式求解算法的收敛性分析

针对车辆-轨道非线性耦合系统的动力学方程联立求解过程,将车辆和轨道分别考虑为2个子系统,通过2个子系统之间的位移协调和轮轨非线性接触力耦合,再结合显隐式积分格式,提出车辆-轨道非线性耦合系统的分离迭代和分离同步两种求解方法,通过算例验证了两种方法的正确性,并对两种求解方法的收敛性进行了对比分析。计算结果表明:显隐式分离迭代法和显隐式分离同步法的最大有效时间步长分别是0.5、0.1 ms;在时间步长较大时,采用Aitken加速法可以起到增强显隐式分离迭代法的计算稳定性的作用,但Aitken加速法的作用会随着时间步长的减小而变小;相同时间步长下显隐式分离同步法的计算效率要比显隐式分离迭代法高,但可以通过选用较大的时间步长来提高显隐式分离迭代法的计算效率。

路基不均匀沉降下列车-有砟轨道-路基三维耦合系统动力响应分析

基于多体动力学与有限单元法建立列车-有砟轨道-路基三维耦合系统精细化数值模型,并提出一种新的迭代方法,将路基余弦型不均匀沉降作为位移边界条件,通过判断轨道结构与路基结构间的接触状态,研究路基不均匀沉降和列车荷载共同作用下的轨道结构伴随性变形,计算列车动力响应、轮轨接触力和轨枕与道砟间的接触力等,进而模拟分析不同波长和幅值的不均匀沉降对上述动力响应和轨枕空吊等病害的影响,揭示路基不均匀沉降与钢轨变形之间的映射关系。研究结果表明:轨道结构伴随性变形随路基沉降幅值的增大而增大,且在一定沉降范围内引发轨枕空吊等病害;耦合系统结构动力响应随路基沉降幅值的增大而增大;随沉降波长增大,轮重减载率和轮轨力减小,而车体竖向加速度呈现先增大后减小的变化趋势,并存在10 m左右的敏感波长使得车体竖向加速度最大;路基不均匀沉降可加剧轨枕和有砟道床间的相互作用,进而加剧沉降发展。

侧风作用下高速磁浮列车-轨道梁耦合动力响应分析

侧风作用是影响高速磁浮系统动力设计的重要因素之一。为获得侧风作用下高速磁浮列车-轨道梁耦合振动响应,首先,建立了风-静悬磁浮列车-轨道梁(WSMG)和风-移动磁浮列车-轨道梁(WMMG)空间耦合分析模型。然后,通过风洞试验对磁浮车辆的气动特性进行测试。磁浮列车的控制系统采用比例-积分-微分(PID)控制器和加速度反馈相结合的比例-积分-微分-加速度(PIDA)控制算法进行调控。最后,分析了平均风、脉动风、风速和车速对磁浮系统动力响应的影响。结果表明:PIDA控制算法可以消除侧风引起的磁浮间隙稳态误差,并减小大约40%的车体横向位移;均匀风只改变列车的平衡位置,脉动风和轨道不平整是引起磁浮列车-轨道系统振动的主要原因;风速对车辆的横向振动的影响更为敏感,当风速超过30 m/s时,高速磁浮列车应停止运行。

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-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。

多线地铁列车-高架桥耦合系统动力分析

为了对多线地铁高架桥的车桥耦合作用进行分析,基于ANSYS的参数设计语言(parametric design language,简称APDL)建立了能够考虑列车单双线行驶的地铁列车-桥耦合动力分析模型。以一座三跨四线地铁高架连续梁桥为研究对象,采用四动二拖6辆编组B型地铁列车模型,分析了地铁列车分别沿不同单双线运行时桥梁结构的动力响应。结果表明:地铁列车对桥梁的横向位移和加速度影响较小;双线对向运行时桥梁竖向位移和加速度响应峰值大于沿单线运行的情况;双线对向运行时桥梁关键截面内力响应峰值约为沿单线运行时内力代数叠加的67%~99%。所提出的数值模型和计算结果可以为多线地铁高架桥车桥耦合振动研究提供理论方法和评估依据。

冻胀变形下高速铁路车辆-轨道-路基耦合系统的动力效应

季冻区严酷的自然环境对高速铁路的高标准运行产生了极大影响,甚至会对高速铁路造成永久性破坏。为探究季冻区高速铁路路基冻胀变形作用下对车辆-轨道-路基耦合系统动力效应的影响,以银西高速铁路某冻胀区段为背景,结合车辆-轨道-路基系统动力学的原理和分析方法,建立了简化后的动力学模型;选取了典型的单波余弦冻胀波形(冻胀波长λ=10 m,冻胀峰值f=10 mm),分别探讨了轨道系统与车辆系统的动力学效应,并据此确定了轨道刚度的合理取值。研究结果表明:在路基冻胀变形作用下,轨道系统中轨道各部件动压力、动位移及动加速度幅值在低频段(0~200 Hz)发生明显波动,扣件刚度与道床刚度的最优刚度比为0.5,轨道总刚度的合理取值在62~87 kN/mm范围为宜;车辆系统中车辆轮重减载率及车体垂向加速度与冻胀波长λ成反比关系,与冻胀峰值f成正比关系。

轨道-箱梁耦合振动模型试验设计与验证

为研究基于模型试验的轨道-箱梁耦合振动反演方法,从理论上探讨多层结构层间耦合相似关系,根据弹性力相似律和相似π定律,设计、制作几何相似比为101的轨道-箱梁耦合相似模型,分析轨道板密度和弹性模量、扣件刚度、CA砂浆层刚度等参数对系统相似性的影响。通过模态试验、有限元法验证模型设计的正确性及原型与模型间的相似关系。结果表明,通过模型试验方法,依据模型与原型间的相似关系反演现场不同工况条件下的振动水平;当某一结构层在荷载方向上的几何尺寸远大于其他结构层时,依据弹性力相似律,原型与模型间的耦合相似关系可由箱梁材料参数导出;轨道板密度及弹模变化,对结构前五阶模态影响误差最大为0.033%;在200~500 Hz范围内,扣件刚度、CA砂浆层刚度变化对箱梁振动加速度的最大影响分别为2.542%、4.326%。

复杂风环境下风-列车-轨道-桥梁系统气动特性及耦合机理研究

正1风-列车-轨道-桥梁系统的特点风-列车-轨道-桥梁系统是一个复杂的耦合系统,是由多刚体(机车车辆)、连续弹性体(钢轨)、离散体(枕木)、非规则碎散堆积体(道砟)、弹性体(桥梁)和土结构(基础)组成的混合结构系统,而且它要与流体(空气)相互作用,具有多体、多态的特征。该系统是在双重随机激励(轨道不平顺、脉动风)作用下的时变耦合振动系统。该系统涉及面广。

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。

基于车-车通信的列车运行控制系统后备系统

[目的]目前,以TACS(列车自主运行系统)为代表的基于车-车通信列车运行控制系统后备系统尚不完善,需对其后备系统进行进一步地深入探讨和研究。[方法]分析了新的运营需求,结合新技术的发展,对一种基于环境识别的TACS后备系统进行探讨。详细介绍了TACS后备系统的架构及功能,分析了TACS后备系统建设的技术难点,阐述了TACS后备系统的列车运行空间监测场景及降级运行场景应用情况。[结果及结论]在发生故障后列车降级运行的情况下,TACS后备系统能提高运营TACS系统效率,并能增强运营安全性。

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%。

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。

基于Timoshenko梁模型的车辆-轨道耦合系统垂向随机振动分析

将钢轨视为无限长Timoshenko梁,由两层弹簧阻尼系统连续支撑,在频域建立车辆-轨道垂向耦合动力学模型。提出采用格林函数法求解钢轨运动偏微分方程,可在较宽频域内得到轨道动力响应避免模态截断频率限制,结合车辆方程求解点导纳及传递导纳,运用虚拟激励法将真实轨道谱激励作为系统输入,求解车辆-轨道系统随机振动响应,并将该弹性轨道与传统刚性轨道、简化弹簧轨道模型结果进行对比。研究结果表明,采用格林函数法求解无限长Timoshenko梁弹性轨道模型可快速实现全频域计算,得到轨道系统频率响应特性。利用虚拟激励法及叠加法,可得到轮轨多点接触工况下的车辆与轨道结构随机振动响应。采用刚性轨道结构模型会导致过高估计车辆结构在高频的振动,整个耦合系统振动响应均对速度较敏感。考虑轨道弹性影响的弹性轨道模型更符合实际,采用格林函数法求解轨道模型较为快速精确。

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。

层状饱和地基-轨道-列车耦合系统轨道不平顺引起的振动分析

采用半解析方法研究了层状饱和地基-轨道-列车耦合系统的动力响应问题。层状饱和地基由任意水平饱和土层和下卧饱和半空间组成,轨道采用以无限长欧拉梁模拟的钢轨、连续质量块模拟的轨枕和Cosserat模型模拟的道砟组成的三层系统,列车模拟为弹簧和阻尼元件连接的多刚体系统。振动输入由钢轨的竖向不平顺提供。通过地基表面轨道中心处竖向位移与道砟位移相等实现层状饱和地基和轨道的耦合,通过在车轮与钢轨间引入Hertizian接触弹簧来实现轨道与列车的耦合,首先求得频率-波数域内解答,然后通过Fourier逆变换求得时间-空间域内振动响应。文中验证了方法的正确性,并进行了数值计算分析,研究表明钢轨不平顺引起的列车动荷载振动频率较低时,随着列车运行速度的增大地基表面位移幅值逐渐增大;振动频率较高时,列车运行速度对位移幅值峰值的影响不明显,但列车驶过后地基的振动明显增大,振动时间变长。

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.

无砟轨道约束对高速铁路列车-桥梁系统地震响应的影响

建立了38自由度高速列车(动车/拖车)空间振动模型,基于非线性Hertz接触理论和Kalker线性蠕滑理论,引进PEER-NGA强震记录,建立地震作用下的高速铁路列车-无砟轨道/钢轨-桥梁-支座-桥墩-桩土系统精细计算模型,考虑支座刚度和桩土作用及近场地震效应的影响,以高速铁路32m跨简支箱梁桥和CRTSⅡ板式无砟轨道为研究对象,编制了MATLAB程序,计算了有/无砟轨道约束下高速列车-桥梁时系统的地震响应。计算结果表明,不考虑三层无砟轨道时列车-桥梁系统模型由于桥梁刚度过大,列车-无砟轨道-桥梁系统的各项地震响应较列车-钢轨-桥梁系统有较大增加;对于有/无地震作用时,采用无砟轨道均可有效改进列车走行性能,近断层地震脉冲效应对有/无砟轨道约束系统动力响应及列车走行安全指标影响均较大。