地震激励下列车-轨道-隧道-土体相互作用系统动力分析

为研究地震激励下列车-轨道-隧道-土体相互作用系统的动力学行为,建立三维列车-轨道-隧道-土体耦合时变动力学模型,以不同强度的地震波和轨道不平顺为系统激励源,通过实际地震动记录进行规格化处理纵向、横向和垂向地震动波,分析不同土质条件、地震强度下列车-轨道-隧道-土体系统动力响应特征。研究结果表明:地震作用可显著增大隧道内列车动力响应,在不同土质条件下,横向轮轨力的波动较无地震激励时显著增大,波动幅度平均增加92.23%,而垂向轮轨力的波动幅度平均增加7.14%,车体垂向、横向加速度分别增大89.50%和25.93%;在不同地震强度下,轮轨横向力与轮轨垂向力在地震强度为0.40g时达到最大,分别为46.760 1 kN与94.8637 kN,相较于地震强度0.35g时分别增大182.68%与5.35%,脱轨系数相较于地震强度0.35g时增幅达到168.28%;地震下土体振动呈放大效应,土体弹性模量较外部激励对放大系数的影响十分显著,其中,放大系数在土体弹性模量最大时为4.080 4;隧道的存在会隔断土体振动传播,隧道顶部土体加速度较隧道底部土体加速度降低约86%。

自旋-轨道耦合对双层钙钛矿Ba_(2)CoOsO_(6)电磁性质的影响

采用第一性原理计算方法,研究了双层钙钛矿氧化物Ba_(2)CoOsO_(6)的晶体结构、电子结构及自旋-轨道耦合作用(SOC)对其电磁性质的影响,并分析电子结构和自旋-轨道耦合作用对其宏观物理性质的影响.结果表明:Ba_(2)CoOsO_(6)为反铁磁窄带隙半导体,存在Os1/Co1反位缺陷;电子结构的分析结果证实了Ba_(2)CoOsO_(6)的电荷分布为Ba_(2)^(2+)Co^(2+)Os^(6+)O_(6)^(2-),确定了2价Co离子和6价Os离子的存在;SOC的存在减小了Co离子和Os离子的自旋磁矩,同时减小了带隙;根据第一性原理计算结果可知,自旋-轨道耦合作用对电子结构和电磁性质的影响不可忽视,相较于其他方法,该方法计算值与试验分析结果更接近,也验证了理论计算的准确性.

自旋-轨道耦合作用下极化激元凝聚中的调制不稳定性

利用线性稳定性分析方法,对存在自旋-轨道耦合(SOS)作用的二维极化激元玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)系统中的调制不稳定性(MI)进行了研究.分析了组分内部,组分之间以及SOC相互作用对系统调制不稳定性的影响.结果显示,当系统内部不存在SOC作用,组分之间的相互作用为0,组分内部存在排斥作用时,不会出现调制不稳定性,组分内部存在吸引作用时,会出现调制不稳定性,并且调制不稳定性区间长度随吸引作用的增强而增加;组分之间相互作用不为0时,组分之间的相互作用以平方形式出现,其正负不会对调制不稳定性产生实质性影响.存在SOC相互作用时,SOC相互作用会引起增益谱曲线的不规则振荡,破坏原来的调制不稳定性区间.

基于直接概率积分法的列车-轨道-桥梁系统随机分析

由于施工和制造误差使得铁路工程结构参数不可避免地具有不确定性,同时作为系统主要自激励的轨道不平顺亦具有明显的随机性和时变性,因此,探明不确定因子对列车和轨道-桥梁结构动态性能的影响非常重要。为了高效地完成列车-轨道-桥梁系统随机性能分析,建立列车-轨道-桥梁空间振动分析模型,采用轨道不平顺概率模型和谱表达-随机函数的方式在有限随机变量空间中实现轨道不平顺随机过程的高效模拟。引入概率密度积分方程和直接概率积分法发展了列车-轨道-桥梁系统随机动力方程和相应的计算求解策略。基于MATLAB实现了列车-轨道-桥梁随机振动的直接概率积分法分析程序,计算了全概率不平顺激励和参数随机条件下车-轨-桥系统振动响应的均值、标准差和时变的概率密度信息。研究结果表明:与概率密度演化分析方法相比,直接概率积分法可较好地反映行车过程中系统响应的概率密度特征,然而其在系统响应随机后处理时更为高效,其效率可提高1~2个数量级。此外,考虑轨道不平顺全概率激励更能准确地反映行车过程系统响应的概率特征,平均概率谱可能使得计算结果偏于保守;行车速度对于列车和桥梁动态行为的影响是显著的,随着行车速度的增加系统响应的范围逐渐变大。研究结果进一步拓展了列车-轨道-桥梁随机系统的分析方法,可以高效地用于系统状态评估和设计优化。

钢弹簧失能下车辆-浮置板轨道耦合系统动力特性研究

在列车荷载作用下浮置板轨道会发生钢弹簧失能,为研究此问题对车辆-浮置板轨道系统动力特性的影响,基于车辆-轨道动力学理论,建立车辆-浮置板轨道耦合动力学模型,研究不同钢弹簧失能数量、位置、组合形式对车辆-浮置板轨道系统动力响应的影响。结果表明:当钢弹簧失能数量相同时,同一块浮置板的振动响应板中位置大于板端位置;钢弹簧失能1个时,板中位置钢轨、浮置板位移最大值分别比板端位置大0.49 mm和0.22 mm,加速度有效值分别比板端位置大13.34%和21.42%;单侧连续失能钢弹簧数量≥2个时,列车荷载作用下钢轨和浮置板垂向位移最大值均分别超出《浮置板轨道技术规范》规定的限值4 mm和3 mm;车体在频域上的振动响应主要集中在10 Hz内,钢弹簧失能会导致车体振动响应在频域上增大;单侧钢弹簧失能2个比双侧失能2个的钢轨位移最大值、加速度有效值分别增大17.75%、2.22%,比正常状态下钢轨位移、加速度分别增大37.08%,10.84%。钢弹簧失能增加了系统的振动响应,影响减振效果,应注意及时检修。

基于离散元-有限差分耦合的轨枕垫对有砟道床横向阻力的影响机制

轨枕垫(USP)因其良好的减震性能已广泛应用于铁路轨道结构,现有研究大多集中于USP对轨道结构刚度和振动响应的影响,但对有砟道床横向阻力影响的研究很少。为深入分析USP对道床横向阻力的影响并揭示其作用机理,建立轨枕-USP-有砟道床-路基三维系统的精细化离散元-有限差分(DEM-FDM)耦合数值模型,采用典型重载铁路有砟道床横向阻力现场实测结果对模型进行标定和验证,进而模拟分析不同工况组合下USP对轨枕不同位置处(枕底、枕侧和枕端)的横向阻力、道砟颗粒运动和粒间接触力等宏微观指标的影响机制。研究结果表明:在相同的轨枕横向位移下,相较于无USP的轨枕,带USP的轨枕其枕底道砟颗粒运动范围更大,横向阻力也更大,且横向阻力增加部分主要来源于枕底USP的不平整性;USP刚度越大,道床横向阻力也越大;采用USP可增加枕底的横向剪应力和最大法向接触力,且两者数值均随USP刚度的增大而增大。

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。

PT对称势下自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的能带结构

数值研究PT对称势下具有自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的能带结构.用傅立叶配置法求解布洛赫能带,分析PT对称晶格势的深度、虚部相对大小、自旋轨道耦合强度和拉比耦合强度对能带结构的影响.结果表明,第一、二能带的上下边沿随晶格深度的增加而上升,但能带宽度变窄;当PT对称晶格势的虚部大于临界值时,第一和第二能带发生重叠;随着自旋轨道耦合强度的增大,第一和第二能带的上下边界均减小;拉比耦合强度对能带结构也具有重要影响.

电子在自旋-轨道耦合调制下磁受限半导体纳米结构中的传输时间及其自旋极化

通过考虑构筑在半导体GaAs/Al_(x)Ga_(1–x)As异质结上的磁受限半导体纳米结构中的塞曼效应和自旋-轨道耦合,本文采用理论分析和数值计算相结合的方法研究了电子的传输时间与自旋极化.利用矩阵对角化和改进的转移矩阵方法,数值求解电子的薛定谔方程;采用H.G.Winful理论求电子的居留时间,并计算自旋极化率.由于塞曼效应与自旋-轨道耦合,电子的居留时间明显地与其自旋有关,因此可在时间维度上分离自旋、实现半导体中电子的自旋极化.因为半导体GaAs的有效g-因子很小,电子自旋极化主要源于自旋-轨道耦合,大约为塞曼效应引起的自旋极化的4倍.由于电子的有效势与自旋-轨道耦合的强度有关,电子的居留时间及其自旋极化可通过界面限制电场或应力工程进行有效调控.这些有趣的结果不仅对半导体自旋注入具有参考价值,而且还可为半导体自旋电子学器件应用提供时间电子自旋分裂器.

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。

高速列车盘形制动器热-结构耦合方法研究

盘形制动器热负荷计算是高速列车制动盘研发设计的关键环节,其计算结果是列车运行参数配置的依据。开发合适的计算方法建立计算精度高、工况适用性广的热-结构耦合计算模型是盘形制动器热负荷计算的关键问题。针对动车组用轴装制动盘制动过程,充分考虑制动闸片和制动盘的几何特性、运动特性和载荷工况,提出位移梯度循环法,基于ABAQUS软件建立盘形制动器摩擦副三维瞬态传热有限元模型,运用位移梯度循环法推导出热流加载式,用以计算制动过程中产生的摩擦热流,解决摩擦作用沿制动盘周向差异造成的耦合结果偏差。运用位移梯度循环法对制动盘进行热-结构耦合分析,并将仿真结果与试验数据、现场调研成果进行对比,通过仿真与试验结果的峰值温度误差率、相关性系数等统计学指标及现场调研观测结果评定该模型的计算精度及工况适用性。研究结果表明:基于位移梯度循环法的热-结构耦合模型可有效模拟制动盘在制动过程中温度变化规律且具有良好的重复性与稳定性,结构场分析出的制动盘热裂纹失效易发位置与该型号制动盘装车运用情况相符。研究成果可有效模拟高速列车在制动时制动盘的热-结构耦合过程,尤其在大轴重下的持续制动或间隔制动工况下,制动时间越长,计算精度越高。

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。

高速铁路车辆-轨道垂向耦合振动分析

基于周期性结构振动理论,分别建立无砟轨道有限元模型和车辆-无砟轨道有限元耦合动力学模型。通过模拟锤击试验,分析了车辆耦合作用对轨道振动特性的影响,研究轨道长度、扣件刚度、扣件阻尼、扣件间距、轮对位置和转向架轴距对轨道振动特性的影响。结果表明:钢轨采用梁单元模型可以准确反映出Pinned-Pinned共振特征;无车辆耦合作用时,轨道出现了199 Hz的轨道一阶垂向弯曲共振峰和由周期性支撑导致的966 Hz的Pinned-Pinned共振峰,扣件阻尼、轨道长度和扣件间距基本不会影响轨道一阶垂向弯曲共振频率,扣件阻尼和刚度基本不会影响Pinned-Pinned共振频率,轨道长度大于42.9 m后轨道长度对Pinned-Pinned共振频率影响较小,扣件间距是影响Pinned-Pinned共振频率的关键因素,扣件刚度是影响轨道一阶垂向弯曲共振频率的关键因素;车辆耦合作用会影响轨道振动特性,轨道出现了P2共振峰和二阶—五阶垂向弯曲共振峰,扣件阻尼、扣件刚度、轮对加载位置和扣件间距对该5阶共振频率的影响不大,转向架轴距是影响该5阶共振频率的关键因素。

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。

高速铁路主跨320 m钢-混部分斜拉桥无砟轨道适应性研究

南玉高铁六景郁江特大桥设计将钢-混部分斜拉桥结构引入时速350 km高速铁路领域,而300 m级以上大跨度桥上无砟轨道的竖向变形极易超限,影响列车通过的安全性和舒适性,因此,系统研究在此大跨桥梁结构上铺设无砟轨道的适应性十分必要。通过建立有限元及动力学模型,分析不同组合工况下无砟轨道结构的变形特点及动力特性,运用60 m弦测法探究各工况下无砟轨道的线形变化规律,从而确定大跨度钢-混部分斜拉桥铺设无砟轨道的适应性,并对设计和施工提出合理化建议。主要结论如下:在各种不利组合荷载作用下,桥上无砟轨道结构强度满足规范要求,列车通过大桥的各项安全性与舒适性指标均满足规范要求;混凝土收缩徐变和斜拉索升降温是影响无砟轨道线形标准的两大主因,应在无砟轨道施工前确保足够的沉降观测期和收缩徐变释放期,并充分考虑拉索的保温设计;在温度组合荷载作用下,桥上无砟轨道的60 m弦测不平顺幅值为6.79 mm,满足高速铁路静态验收标准;但在叠加列车荷载和收缩徐变后,变形弦测值均出现Ⅱ级及以上超限,通过合理设置预拱度后可有效改善轨道平顺性标准。

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。

波浪荷载作用下车辆-轨道-悬浮隧道动力响应研究

为实现波浪荷载作用下车辆-轨道-悬浮隧道系统耦合动力学行为模拟和分析,基于车辆-轨道耦合动力学理论,引入轮轨非线性时变单元矩阵法和结构单元多尺度耦合法,采用弹簧-阻尼单元模拟锚索系统,建立车辆-轨道-悬浮隧道动力相互作用模型;根据线性波浪理论和Morison方程,确定波浪荷载计算方法;最后,基于所建立的车辆-轨道-悬浮隧道动力相互作用模型开展数值仿真模拟,研究波浪荷载作用下锚索等效刚度、波浪高度、行车速度等参数变化时系统振动响应特性及传播规律。研究结果表明:锚索等效刚度变化对轨道-悬浮隧道系统结构位移的影响显著,提高锚索等效刚度能够有效抑制结构位移增大,且考虑部分锚索失效后系统结构位移变化较大,位移增幅均大于43%,不利于结构稳定;轨道-悬浮隧道系统结构的横向位移主要由波浪荷载引起,随着波浪高度增加,轨道-悬浮隧道系统结构位移整体上呈增大趋势;在工程设计过程中,应充分调研场地水环境,并合理设置轨道-悬浮隧道系统的结构参数,以确保系统的安全性和稳定性。

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。

车辆-轨道系统动力极值预测及可靠度计算

为从车辆-轨道系统的动力极值预测及其可靠度计算角度分析车辆系统行车安全、衡量系统可靠程度,基于车辆-轨道耦合动力学及概率理论,提出一种车轨系统动力极值预测及可靠度评估方法。首先,基于轨道不平顺概率模型,采用轨道不平顺累计概率谱确定具有不同激振能量的随机不平顺序列;依据离散Parseval定理,建立轨道不平顺时域序列和功率谱间的对应关系;将轨道不平顺概率模型与车辆-轨道耦合动力学模型相结合,从随机动力计算中提取车辆-轨道的动力极值及可靠度信息;随后利用车辆-轨道耦合动力模型及二维插值算子,根据谱线能量关系实现动力极值预测;此外,基于此系统激励输入与响应输出间的概率等效性,导出了动力极值的可靠度计算式。以实测的轨道不平顺和车体加速度数据及4种类型不平顺在不同累计概率下的谱组合计算得出的轮轨横向力和钢轨垂向位移的计算结果为样本,与预测结果进行对比。研究结果表明:计算时程的分布趋势基本与实测时程一致,动力极值预测结果与实际的动力计算结果较为接近。由于轨道不平顺随机性的存在使得车辆-轨道系统的动力响应存在随机离散及方差特征,但通过轨道不平顺的幅频及能量特性预测车辆-轨道系统的动力极值的方法是较为可行的。

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。