基于车轨耦合动力学分析的地铁e型弹条扣件疲劳寿命预测

地铁是城市交通的重要组成部分,而扣件系统是地铁轨道结构的关键部件,起到固定钢轨、减振降噪的作用。为分析地铁e型弹条扣件的疲劳性能,基于车辆轨道动力学理论,通过多体动力学软件UM建立了车轨耦合模型,研究了车辆速度、轨道不平顺类型以及曲线半径与钢轨动力学响应的关系;并通过有限元软件ABAQUS对扣件系统进行了仿真计算,将车轨耦合动力分析得到的钢轨位移作为疲劳荷载,采用应力疲劳计算的方法对弹条的疲劳寿命进行了预测和分析。结果表明:钢轨位移响应受不平顺类型和车辆速度的影响较小,而加速度响应对两者则比较敏感;轨道曲线半径的改变,对内轨位移的影响相对明显,随着半径的减小,内轨的位移时程曲线出现明显的上移,同时对加速度的影响也增大,内轨加速度峰值呈增大趋势;基于此模型计算的弹条疲劳寿命为2.14×10^(7)次,寿命最低处位于弹条后拱小圆弧段,与实际断裂位置相吻合;弹条初始安装扣压力对弹条疲劳寿命的影响很大,随着初始安装扣压力的增大,弹条的疲劳寿命不断减小,且减小的速度趋于增大,为确保弹条扣件处于良好的工作状态,初始扣压力应当控制在11~15 kN范围内。

集总与多体耦合人车模型的振动特性仿真

为了更好地分析车辆行驶时人体的振动情况以及更好地评价人体的动态舒适性,通过COMSOL软件建立了集总参数与多体耦合人-椅-车动力学模型。利用滤波白噪声法建立随机路面时域模型作为人车系统的振动输入,对不同路面等级和车速下的人体振动响应进行时域和频域仿真分析。根据ISO 2631-1:1997(E)计算垂向和纵向人体头部以及臀部的加速度均方根值,以此来评价人体乘坐舒适性。研究结果表明,路面等级越低、车速越高,人体乘坐舒适性越差。提出的集总与多体耦合人-椅-车振动模型可以比较精确地计算出坐姿人体垂向、纵向的振动响应,有助于对车辆乘坐舒适性进行评价。

车-轨-桥耦合振动相似试验模型设计与校验

为探究模型试验法在车-轨-桥耦合振动研究中的有效性,基于π定理准则和量纲分析方法,推导车-轨-桥耦合振动原型结构与模型结构之间的相似关系。以10︰1为几何相似比,计算原型与模型结构之间的相似常数,利用有限元方法校验原型与模型结构之间的相似关系。依照弹性力相似律,制作包含车辆-轨道-桥梁结构以及动力加载部分的缩尺模型试验系统,采用试验测试与数值仿真相结合的方法,校验了缩尺轨道箱梁结构的模态振型、模态频率以及模型车移动荷载作用下模型桥的加速度响应在时域与频域范围内的可靠性。研究结果表明:原型结构计算加速度响应值和模型结构计算加速度响应反演值曲线一致,校验了由π定理准则及量纲分析所推导的相似关系的准确性;试验测定轨道-箱梁结构模型振型与数值仿真计算所得振型基本一致,且模态频率误差较小,频率误差最大仅为5.97%。表明基于相似理论设计制作的轨道-箱梁结构缩尺模型能够较好地满足试验要求;试验测试与数值仿真计算的列车移动荷载作用下桥梁加速度响应在时域与频域内结果吻合良好,数值规律基本一致,模型桥动力性能误差在10%以内,表明缩尺模型试验系统能够较为精确地反应时域和频域范围内的车-轨-桥耦合振动特性。本文设计制作的车-轨-桥耦合振动缩尺模型试验系统可靠,可用于复杂工况下的车-轨-桥耦合振动分析。

基于车轨桥耦合模型的重载铁路预应力混凝土T梁剩余疲劳寿命分析

多跨预应力混凝土简支T梁桥在重载铁路线路中应用广泛,随着线路年运量的增长及大轴重长编组货物列车的运行,车桥动力响应加剧,桥梁发生疲劳破坏风险增大。为了解决这些问题,本文建立重载列车-钢轨-预应力混凝土简支T梁桥精细化分析模型,精确求解重载列车过桥时的车桥动力响应;采用雨流计数法统计分析桥梁普通受拉钢筋应力时程,获得疲劳应力谱;基于Miner准则和Corten-Dolan准则,计算典型疲劳列车单次过桥时的桥梁疲劳损伤;利用灰色GM(1,1)模型来预测线路未来年运量,并对预应力混凝土T梁疲劳损伤进行分析,对剩余寿命进行评估。研究结果表明:随着货车编组数量增加,列车过桥引起的桥梁动力响应峰值趋于稳定,仅应力时程中间周期性波动部分相应延长;由于考虑了结构非线性累积损伤的影响,在相同疲劳列车作用时,按照Corten-Dolan准则计算的桥梁疲劳损伤比按Miner准则计算的桥梁疲劳损伤大7.2%左右;4种典型疲劳列车(C_(64)-N-66、C_(70)-1-116、C_(80)-1-108、C_(80)-2-216)独立运送相同运量货物时引起的桥梁损伤之比为1?0.768?0.543?0.457;在线路容许条件下,宜优先开行大轴重且更长联编组的货物列车,在运量相同时可有效降低对桥梁的疲劳损伤;基于车-轨-桥精细化模型和Corten-Dolan准则,采用等效列车历史运营谱和未来运营谱来考虑年运量和疲劳列车大轴重长编组的发展趋势,可更精确评估重载铁路预应力混凝土简支T梁桥的剩余疲劳寿命。

波浪作用下高速列车-轨道-桥梁系统耦合振动研究

为研究波浪作用对高速铁路跨海桥梁车-轨-桥系统耦合振动的影响,基于线性波浪理论和Morison方程模拟波浪荷载,采用分布力模式输入既有车-轨-桥系统耦合振动分析程序,提出波浪作用下的车-轨-桥系统耦合振动分析方法。以某高速铁路跨海斜拉桥为背景,研究波坡面效应、波浪重现期、车速对车-轨-桥系统动力响应的影响,并评估不同重现期波浪作用下过桥列车的走行性。结果表明:波坡面效应会使作用于不同单桩的波浪荷载初始相位不同,从而导致作用于群桩基础的波浪荷载合力不同;随着波浪重现期的增大,车-轨-桥系统的横向动力响应均增大,而竖向动力响应几乎不变;考虑波浪作用后,列车的行车安全性指标均随车速的增大而增大,波浪荷载会显著降低桥上列车的乘坐舒适性并增加桥上列车的脱轨风险。常遇波浪(10年重现期)和极端波浪(100年重现期)作用下列车的安全车速阈值分别为325 km/h和275 km/h。

基于变速及曲线车轨耦合频域解析模型的地铁减振轨道动力特性研究

地铁振动是个复杂的系统问题，涉及列车类型、轨道结构、线路状况和行车速度等诸多因素。在轨道结构周期性频域解析模型的基础上，结合地铁现场锤击试验和振源测试，建立变速及曲线车轨耦合频域解析模型，研究地铁减振轨道的动力特性，主要研究内容和结论如下。

基于货-车-轨耦合动力学分析的重车重心高度及管控规则研究

我国现行重车重心高度管控规则已凸显限制铁路货运系统运输能力的矛盾。针对此问题,通过深度剖析货物-车体耦合机制,建立货-车-轨耦合动力学模型,并采用动态Nadal限度评估车辆运行脱轨风险,基于模型仿真分析我国铁路通用货车在正常速度运行时应限制的重车重心限制高度,以及重心高度超过该限值时的相应限速规定。研究结果表明:针对货物装载参数影响车辆动力学行为的研究,动态Nadal限度可有效减小脱轨误判率,相比于经典Nadal限度更适宜作为脱轨风险的评判依据;基于动态Nadal限度判定车辆脱轨风险,我国铁路通用货车的重车重心限制高度可提升至2400 mm;在保证车辆运行安全的前提下,重心超高时的区间限速规定可以合理地适当放宽。

采用直线电机车辆的轨道交通耦合动力学模型及仿真分析

建立了采用直线电机车辆的轨道交通的车-线耦合动力学模型,并与车辆动力学分析通用软件ADAMS/Rail进行了比较,从而验证了所建模型的正确性。通过对广州市轨道交通4号线工程线路设计参数进行的仿真计算,给出了相应的建议值。

重载铁路隧道车-轨-隧耦合模型及底部结构动力响应影响因素研究

重载列车在提高运输效能的同时也会加剧对基础设施结构的损伤,甚至影响行车安全,因此,开展系统的重载铁路隧道动力响应特性研究具有重要的现实意义。模型在系统分析列车、轨道、隧道底部结构与围岩间相互作用关系的基础上,分别通过赫兹非线性理论定义轮-轨接触和通过修改钢轨竖向坐标的二次建模方法引入轨道不平顺,重点分析和表征了各列车机构、隧道结构体系之间的相互耦合关系,建立了车辆-轨道-隧道一体化三维耦合有限元数值模型,并开展对比验证。研究结果表明:模型的计算结果与既有文献中的实测数据相差较小,最大相对差值为12.2%,说明所建立的车辆-轨道-隧道一体化耦合模型及其参数的选取是合理可靠的。在此基础上,进一步针对列车轴重、围岩条件、填充层厚度和轨道条件4个关键因素对重载铁路隧道底部结构的动力响应影响规律开展了共计15个工况的模拟计算。研究结果表明:隧道底部结构及基岩的主应力、沉降变形均随列车轴重的增大、围岩条件的变差以及填充层厚度的减薄而快速呈线性增大;列车轴重和围岩条件对底部结构的动力响应影响最为显著;适当增加填充层厚度能减轻列车动载对隧道底部结构的冲击作用,对于Ⅳ-Ⅵ级围岩地段,建议填充层厚度不宜小于1.33 m。

基于车轨耦合和扣件精细模型的弹条疲劳分析

针对扣件弹条的疲劳断裂问题,利用数值仿真手段对弹条疲劳寿命进行分析。首先,建立车辆-轨道耦合动力分析模型,通过仿真得到轨底垂向位移时程曲线;然后,建立扣件精细分析模型,将轨底垂向位移时程曲线作为输入荷载,计算得到扣件弹条的应力和应变时程曲线;最后,结合疲劳分析方法和累积损伤理论,对弹条的疲劳寿命进行分析。研究结果表明:弹条小圆弧处疲劳寿命最低,最易发生损坏,与现场调查结果一致;弹条疲劳寿命与安装弹程密切相关,随着弹条安装弹程的增大,弹条疲劳寿命急剧降低;为了延长扣件使用寿命,线路运营中应避免弹条的安装弹程过高。

考虑车轨耦合作用的车体动力吸振器减振性能研究

以降低城市轨道交通车辆车体的垂向振动为目的,建立了包含动力吸振器的车辆和轨道垂向振动的耦合模型,获得了耦合模型的垂向振动特性,进一步明确了轨道系统对车体垂向振动特性的影响,讨论了载客量和车速的变化对动力吸振器减振性能的影响,重点研究了考虑轨道系统影响后动力吸振器的设计方法,提出了一种新颖的考虑车速变化以及速度区间运行概率的动力吸振器的减振性能评价指标(DVA减振指标)。结果表明:轨道系统使轨道车体振动的峰值频率发生微小的偏移,改变了轨道车辆振动系统的振动特性,使车体垂向振动加剧;在车轨耦合作用下,动力吸振器的设计要综合考虑动力吸振器质量和设计频率的匹配,设计频率的阈值决定了动力吸振器是否减振,最佳设计频率决定了动力吸振器能否获得较好的减振效果。该项工作对包含动力吸振器的轨道车辆振动性能评价和分析具有重要的参考价值。

车轨系统随机响应周期性拟稳态分析

提出用于三维车轨耦合系统随机动力响应高效求解的周期性拟稳态分析方法.车辆采用三维刚体动力学模型,轨道结构利用三维轨道广义单元建模.假定轨枕间距均匀,则列车在轨道上行驶过程中,车轨耦合系统动力学方程具有典型周期时变特征.应用虚拟激励方法将轨道随机不平顺转化为虚拟简谐不平顺,在状态空间下运用周期系数微分方程的性质和Schur分解技巧将上述问题的求解转化为周期性拟稳态响应分析,只需通过求解系数矩阵为上三角的线性方程组即可代替以往时变系统虚拟响应求解过程中的逐步积分过程,计算效率获得较大提高.采用该方法进行了三维车轨耦合系统的随机动力响应分析,并进行了不平顺随机载荷在车体、转向架、轮对和轨道等部件中传递机理分析,获得了一些有价值结论.

跨座式单轨车辆动力学性能分析及评价指标研究综述

为解决跨座式单轨车辆动力学性能评价指标不全面不系统问题,本文就目前针对跨座式单轨车辆动力学性能及评价指标的研究进行了系统性的总结。由于跨座式单轨列车转向架结构独特,运行、导向机理及轮轨之间的接触关系与传统铁道列车均有不同,导致跨座式单轨车辆的动力学性能及动力学性能评价指标与传统铁道列车差别很大。对此,本文总结了国内外学者对单轨列车动力学性能及车-轨耦合振动响应特性进行的研究,结果表明:目前国内对跨座式单轨车辆动力学性能评价指标的研究通常是采用理论计算和数值模拟相结合的方法,但实测得到的跨座式单轨车辆参数较少,使得研究建立的动力学模型不够准确,这使得国内外都还没有建立一套通用的适用于单轨车辆的动力学性能评价指标。

考虑轨道不平顺随机性的车轨耦合系统动力可靠度分析

将轮轨力预估格式的迭代求解方法与子集模拟法相结合,给出了一种考虑轨道不平顺随机性的车轨耦合系统动力可靠度求解方法,从提高确定性响应求解效率和减少确定性响应求解次数两方面,提高了系统可靠度求解效率.算例以CRH2新造动车组为研究对象,获得车辆在直线轨道上的横向平稳性指标和曲线通过时的车轮脱轨系数分别超出各自限度值的失效概率.通过与直接Monte Carlo模拟(DMCS)对比,验证了所给方法的计算精度和效率.同时研究了不同波长范围内的随机轨道不平顺对车辆系统动力可靠度的影响,获得了与已有研究文献较为一致的规律,进一步验证了方法的正确性.

车轨耦合振动中4种轮轨竖向接触模型的适用性比较分析

为进一步简化对竖向轮轨力的计算,在Hertz非线性接触模型的基础上,提出割线线性近似模型和切线线性近似模型,并推导出相应的轮轨竖向接触刚度及其引起的车轨系统附加刚度矩阵和附加轮轨力的表达式。以双块式无砟轨道为例,建立车轨系统的整体动力方程,分别采用Hertz非线性接触模型、轮轨竖向密贴模型、割线线性近似模型和切线线性近似模型,计算和分析车轨系统动力响应、轮轨振动频谱及时间步长的适应条件。结果表明:无论是否考虑轨道不平顺,切线线性近似模型均可替代Hertz非线性接触模型;在分析车体竖向加速度时,4种轮轨竖向接触模型均可用;在分析竖向轮轨力、钢轨竖向位移及轮对竖向加速度时,可采用Hertz非线性接触模型、割线线性近似模型和切线线性近似模型;在分析轮轨接触点处钢轨竖向加速度时,可采用Hertz非线性接触模型和切线线性近似模型;轮轨竖向密贴模型因为假定轮对与钢轨在竖向上始终不分离,所以导致在高频段的计算结果有较大误差;对于轨道不平顺的各个波段,当时间步长低于1ms时,Hertz非线性模型、割线线性近似模型、切线线性近似模型的计算误差均在可以接受的范围内。

1/4车-路耦合动力学模型研究

将车辆简化为1/4车模型,路面结构视为地基梁或地基板,建立车-路耦合动力学模型;通过引入动态接触算法,采用直接积分法求解,比较了车-路耦合动力学模型与静力模型结果的差别;讨论了两种模型在车辆非悬挂系质点垂向加速度、车-路耦合作用力、路面板动弯沉、动应变、接缝嵌缝料剪切应变和接缝传荷效率等的异同.结果表明,两种模型的非悬挂质点垂向加速度、车-路耦合作用力、路面板动弯沉和接缝嵌缝料剪切应变等具有较好的一致性,在动应变及接缝传荷效率等方面有一定差异;地基板模型可很好地模拟移动车辆作用下混凝土路面结构的动态响应,而地基梁模型可高效地用于路面结构的接缝传荷、嵌缝料振动模拟.建立的模型可用于水泥混凝土路面动态响应分析和路面性能评价.

车-轨-桥耦合动力系统影响参数分析

为了考虑高速列车、板式无砟轨道和桥梁相互作用的特点,需将列车模拟为质量-弹簧-阻尼多刚体相互约束的系统,通过列车车轮与钢轨的接触关系,建立车-轨-桥耦合系统的运动方程。重点分析了双线列车以不同工况通过高速铁路桥梁时,列车行驶状态(速度和加速度)、列车悬挂系数和钢轨-轨道-桥梁连接参数分别对车-轨-桥耦合系统的动力学性能影响。结果表明,(1)列车的加速度和速度的变化对耦合系统有不同程度的影响,随着列车行驶速度与加速度在一定范围内增加,车体自身结构的位移振动响应逐渐减小,而钢轨和桥梁结构的位移振动响应则不断增加;(2)列车悬挂参数的改变对列车自身结构影响较大,而对钢轨和桥梁结构影响很小;(3)车体一系刚度系数增大会引起列车系统结构振动响应变大,但车体二系刚度系数的增加却抑制了车体结构的振动响应;(4)除了钢轨的最大加速度随着连续刚度系数增加呈线性递减外,列车、钢轨和桥梁的振动响应不易受钢轨与桥梁间连接参数的影响。

基于扣件FVMP模型的车-轨耦合随机振动分析

针对高速铁路钢轨扣件,结合其动态力学性能试验,基于高阶分数阶导数理论建立扣件动参数频变FVMP模型,并将该模型应用于车辆-轨道随机振动模型中,采用格林函数法及虚拟激励法分析扣件动参数频变对车辆及钢轨结构振动的影响。计算结果表明:扣件的动参数对频率和温度具有明显的依赖性,而高阶分数阶导数FVMP模型能准确表征这种力学行为;扣件动参数的频变特性对车体的垂向振动无较大影响,但对频率在20~70Hz范围内的转向架随机振动有一定影响;考虑扣件动参数频变特性后轮对与钢轨振动所受影响较大,轮对加速度功率谱密度在中频段的峰值相差64.2%,钢轨加速度功率谱密度在中频段的峰值相差55.2%;扣件FVMP模型得到的轮轨随机振动频域分布向高频偏移,且中高频段内轮轨振动响应减小;忽视扣件动参数随频率变化的特性将难以准确表征轮轨中高频段内的振动响应。

基于车-轨-隧一体化模型的重载铁路隧道动力响应特性分析

基于赫兹非线性理论,考虑轮轨接触关系,建立车辆-轨道-隧道一体化三维空间耦合模型,对重载列车作用下隧道结构的动力响应进行计算分析。通过与实测值的对比分析,验证该一体化计算模型的可靠性。进一步针对蒙华铁路黄土隧道工程,探讨30 t轴重列车荷载作用下隧道结构的动力响应特征。计算结果表明:30 t轴重列车荷载作用下,隧道底部结构的位移、应力和加速度显著增大,受列车振动荷载的影响明显;在轨下断面和隧道中心断面,压应力都沿深度方向衰减,衰减速度由快到缓;隧道中心断面拉应力沿深度方向增长,在初支底部出现最大拉应力;列车荷载对结构的整体受力产生不利影响。

路基冻胀对高速列车-轨道耦合系统动力特性的影响

在车轨耦合动力学理论的基础上,通过对高速列车-无砟轨道-路基耦合系统模型有限元进行分析,研究高速铁路路基不均匀冻胀对列车、轨道的动力学影响,分析不同条件下冻胀变形引起的系统振动响应规律,进而提出相关改善措施以利于系统良性发展。结果表明,路基不均匀冻胀会引起列车与轨道产生互相影响的动态响应,降低了轨道结构的服役性能,同时不利于行车安全。在典型冻胀情况下,列车进入冻胀区域后,在起始位置受到振动所造成的影响比较大;随着路基冻胀波长的增加,对车体的振动影响相继减少,而冻胀峰值的影响则相反。对冻胀波长25 m范围内,特别是10~15 m路基冻胀进行整治,可增强行车安全性和乘坐的舒适性。同时,重点控制路基高冻胀峰值能有效减少轨道结构的疲劳损伤。