基于TBDS车辆-轨道模型对轮轨擦伤冲击现象的Matlab仿真

建立了基于TBDS车辆-轨道耦合的竖向动力学模型,包括轮轨接触和擦伤激扰模型等。在Matlab平台中编写了车辆-轨道耦合模型程序并仿真了轮轨擦伤冲击现象。研究了轮轨间单点、多点接触下的仿真效果,得到了与实测数据较为接近的结果,验证了模型的正确性,并对该模型今后拓展作了进一步的展望。

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。

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。

不同车辆-轨道垂向动力学模型功率流传递特性研究

基于4种不同精细化程度的车辆-轨道垂向动力学模型,利用解析方法建立了形式统一的系统相邻部件间功率流传递函数,给出了车辆一系悬挂、二系悬挂、轮轨间以及钢轨和轨枕间的振动功率流传递特性,分析模型的精细化和弹性化对于各部件间功率流传递特征的影响。以精细化程度最高的模型为研究对象,讨论车辆悬挂参数和部件惯性参数的改变对部件间功率流传递特征的影响。结果表明,简单模型能够较为真实地模拟车辆低频传递特性,但对中、高频传递特性的表达与复杂精细模型相差较大;位于激励源附近位置的轮对和钢轨,在其固有频率附近的振动能量往往具有较强的传播性;簧下质量的变化对轨枕至道砟的传递特性的影响最为明显。

地震作用下车辆-轨道系统轮轨动态响应试验研究

为研究地震作用下高速铁路地震预警阈值,进行准静态全尺寸车辆-轨道模型振动台试验研究,对车辆轨道模型施加正弦地震波,试验结果显示《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中所规定的轮重减载率限值和脱轨系数限值可能偏于保守,且导致列车脱轨的原因是由于地震作用使轨道结构发生大幅的水平向振动,引起车轮发生水平向晃动,致使车辆发生侧向滚摆运动所造成的;接着对车辆轨道模型施加实测地震波,试验结果表明地震波频谱特性对列车运行安全有一定的影响;对车辆轨道模型同时施加水平向和垂向地震波,发现对车辆轨道系统动力响应影响较大的为水平向地震波,垂向地震波则对其影响较小;根据振动台试验模型建立与之对应的多刚体、多自由度三维车辆-轨道数值模型,研究当考虑轨道不平顺时,地震作用下不同车速对列车轮动动力响应的影响,通过数据分析表明,在一定范围内,地震作用下的列车脱轨与列车速度关系不大,为高速铁路地震预警阈值的研究提供了一定的理论依据。

基于ABAQUS软件的二维车辆-轨道耦合模型

针对城市轨道交通轮轨系统特点,基于ABAQUS软件建立了10个自由度的车辆-轨道二维有限元计算模型,实现了考虑短波不平顺轮轨耦合的仿真计算。通过与SIMPACK软件和既有文献所建模型对比,从轮轨力、车厢位移、钢轨位移等方面验证了模型的正确性。选用浮置板轨道作为应用算例,给出了地铁B型车在车速20 m/s下的系统动力响应,并分别进行了时域与频域分析。此外,将轨道不平顺波长划分为5种工况,对轮轨系统的振动响应进行了时域与频域分析,得出了轨道不平顺波长各波段的影响范围。

机车车辆横向动力学性能仿真——车辆轨道耦合模型与传统车辆模型的比较

运用经过大量线路实车运行试验验证的车辆 轨道耦合动力学仿真软件TTISIM,对传统车辆动力学和车辆 轨道耦合动力学两种类型模型的横向动力性能进行了比较与分析.结果表明:车辆无论是在直线上运行还是通过曲线轨道和道岔时,采用传统模型计算所得的轮轨横向相互动作用力均较采用耦合模型计算的大;仿真计算车辆蛇行失稳临界速度时,采用前一模型得到的结果较后者偏高;而两者计算所得的车辆垂向与横向振动差别甚小.

基于Timoshenko梁模型的车辆轨道耦合振动分析

运用车辆 轨道耦合动力学理论,建立了基于Timoshenko梁钢轨模型的车辆 轨道耦合振动模型,分析了钢轨的固有振动特性,初步探讨了车辆 轨道系统的动力响应.结果表明,Timoshenko梁钢轨模型在固有振动及强迫振动两方面均与Euler梁钢轨模型有明显不同,前者能更详细地描述钢轨的高频特性.

基于GPU的车辆-轨道-地基土耦合系统3D随机振动并行计算方法

针对轨道不平顺随机特征导致车辆-轨道-地基土耦合系统随机分析计算效率低的问题,采用虚拟激励法降低大样本分析的计算量;针对耦合系统等效刚度矩阵的稀疏特性,采用行压缩(Compressed Sparse Row,CSR)格式存储大型稀疏矩阵,采用预处理共轭梯度法(Preconditioned Conjugate Gradient,PCG)求解对称正定的等效静力平衡方程,最后通过MATLAB-CUDA(Compute Unified Device Architecture)混合平台开发基于GPU的并行计算程序.数值算例表明:基于MATLAB-CUDA混合平台求解等效静力平衡方程的效率是串行多点同步算法的86.13倍,大大缩短了随机振动分析的总计算时间,且内存占用小、易于在个人计算机上实施;采用PCG法求解车辆-轨道-地基土耦合系统形成的大型稀疏线性方程组时,建议以加速度指标作为迭代收敛精度的控制指标;可通过选取适当的迭代收敛精度,以达到计算精度和计算效率的平衡.

扣件失效对车-轨-路-地耦合系统垂向振动特性影响研究

通过有限元软件Abaqus和多体动力学软件UM联立仿真,从刚柔耦合的角度建立了车辆-轨道-路基-地基耦合振动分析模型,对比分析了正常工况、单侧扣件失效1个、3个、5个和两侧扣件失效1~5对等工况对整个系统动力响应的影响规律。研究结果表明:单侧扣件失效5个时,对钢轨垂向位移和垂向加速度影响较大,对车体垂向加速度影响较小;两侧扣件失效工况下,2.5~5对扣件失效时钢轨垂向位移超过标准规定的最大允许值2mm;轨道板和基床表层垂向振动加速度变化趋势几乎一致,与正常工况相比皆增加了约4倍,轨道板和基床表层垂向位移较正常工况变化量不大;出现非对称扣件失效时脱轨系数和轮重减载率发生突变,此时车辆脱轨风险较高。

基于移动单元法的高速铁路轨道不平顺特性研究

轨道不平顺不仅是引起列车和轨道振动的主要激扰,也是影响列车安全平稳运行的重要因素。为分析中国高速铁路轨道不平顺谱的特性及其对列车运行的影响,采用移动单元法建立考虑离散支撑的无砟轨道-车辆耦合模型,将逆傅里叶变换得到的中国轨道不平顺谱时域样本作为轮轨激励输入,通过编程数值计算分别研究列车速度、不平顺幅值和波长对轨道-列车系统动力响应的影响。研究表明:基于移动单元法建立的无砟轨道-车辆耦合模型的计算结果与有限元模拟结果吻合良好,移动单元模型准确可靠;轨道高低不平顺的幅值和波长特性均对系统的竖向动力响应有着显著影响,随着幅值增大和较短波长成分增加,轨道位移和轮轨接触力明显增大,其中2 m左右的不平顺波会对轮轨动力特性产生显著影响;此外,较高的车速会加剧系统的竖向动力响应。

不同减振轨道上地铁车辆动力学性能对比分析

为研究地铁车辆在不同减振轨道结构上的动力学性能,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立考虑不同类型减振轨道的地铁车辆-减振轨道耦合动力学模型。基于动力学仿真,对比分析地铁车辆在4种常用减振轨道上的横向稳定性,以及直线和曲线段的轮轨动力学性能。结果表明:减振轨道结构参数对地铁车辆横向稳定性有很大影响,弹性扣件减振轨道上车辆的轮轨安全性指标略小于其他3种减振轨道。

德国基于惯性测量的轨道缺陷检测模拟研究

为准确快捷地检测轨道缺陷、保障铁路安全运营,德国斯图加特大学铁路和运输研究所创建车辆-轨道模型,模拟多种不同程度的轨道缺陷状态,并在模型车辆上搭载集成惯性测量系统以同时测量三轴加速度和陀螺仪角速度,然后利用连续小波变换和袋装决策树算法对测量结果进行分析,从而显著提高轨道缺陷检测的精度。文章将对该模型及相关研究进行介绍。

双块式无砟轨道轨枕伤损对轨道结构性能的影响

为探明双块式无砟轨道轨枕伤损对轨道结构动力响应以及高速列车行车性能的影响,建立考虑局部轨枕伤损的车辆-双块式无砟轨道系统动力学耦合模型,分别对直线地段和曲线地段的轨枕伤损模式、伤损范围等因素进行仿真分析。结果表明:轨枕伤损导致单个扣件锚固性能失效对轮轨相互作用力和行车安全性指标影响较小,而连续3个扣件锚固性能失效使得轮轨垂向力、轮重减载率、钢轨垂向位移与振动加速度显著增加;轨枕挡肩失效对轮轨相互作用力影响不大,主要导致钢轨横向变形和横向振动加速度增大;曲线地段单侧轨枕失效主要对失效一侧的轮轨力产生不利作用,轮轨横向力增幅明显,从而导致脱轨系数增大。为保障高速列车行车安全,双块式无砟轨道轨枕锚固或挡肩连续失效个数不宜超过3个。

浮置板轨道参数激励振动研究

浮置板轨道结构中,浮置板布置的周期性和不连续性导致轨道刚度的周期性变化。车辆行驶在浮置板轨道上时,轨道刚度的周期性变化会引起参数激励振动。为了研究该问题,将钢轨和浮置板视为模态梁,钢轨扣件和隔振器视为线性弹簧-阻尼器;车辆采用相邻车厢距离最近的两台转向架模型,建立了车辆-浮置板轨道耦合动力学模型。应用该模型分析了浮置板轨道参数激励振动的形成机理及影响因素,提出了减小参数激励振动的控制措施。计算结果表明:振动的频率成分主要为车轮通过浮置板的频率及其倍频;轮轨作用力随着车辆速度的提高而增加,随着隔振固有频率的减小而增加;调整浮置板下隔振器的位置和刚度可以降低参数激励振动引起的轮轨作用力。

基于钢轨波磨特征的车辆运行安全性评估及轮轨力预测

针对北京地铁6号线梯形轨枕直线段轨道上出现的钢轨波磨现象,通过Matlab编程建立了车辆-轨道耦合动力学垂向模型,以钢轨波磨特征及轨道垂向不平顺作为系统激励,从轮轨间作用力出发,基于线路实测数据分析和数值仿真研究相结合的方法,从时域和频域2个方面分析了不同波磨特征对轮轨垂向力的影响,以轮轨垂向力安全限值作为评判指标进行了车辆运行安全性评估。研究结果表明:轮轨垂向力随着波深的增大而增大,随着波长的增大而缓慢减小。利用BP神经网络搭建了波长、波深和轮轨垂向力间的关系,训练得到了轮轨力预测模型,该模型可以通过波磨特征准确预测轮轨垂向力幅值,与目前现有的检查手段相结合,能够为更好地指导轨道维修提供理论依据。

250km/h高速铁路轨道不平顺的安全管理

利用根据车辆 轨道耦合动力学思想所建立车辆 轨道垂横耦合模型 ,在充分考虑多种波长并存的情况下 ,仿真计算了 2 5 0km/h高速铁路各种轨道不平顺的管理目标值。计算结果与日本和德国高速铁路轨道不平顺的经验管理目标值基本一致。

板式轨道动力特性分析及参数研究

运用车辆—轨道耦合动力学理论建立板式轨道和高速车辆垂向耦合动力学模型 ,其中轨道板采用弹性薄板模型。通过对板式轨道短波不平顺即焊接接头不平顺进行计算机仿真分析 ,研究高速铁路板式轨道的动力特性 。

基于列车响应的运营期高速铁路桥梁沉降阈值

为保证铺设纵连式无砟轨道的桥梁沉降区运营期内的列车动力性能,基于某高铁线路长期沉降监测数据,分析并归纳了运营阶段桥梁沉降特点,建立车辆-轨道-桥梁动力耦合振动模型,分析不同桥梁沉降形式对列车动力响应影响,并提出运营期间高铁桥梁沉降阈值。结果表明:桥梁差异沉降包括桥墩差异沉降和路桥路基段差异沉降。桥墩沉降主要以单墩、双墩及多墩交叉升降为主;路桥路基段沉降包括过渡段台阶式不均匀沉降和路基余弦型不均匀沉降。列车行驶于单墩抬升区域时引起的列车动力响应最大;路基余弦型不均匀沉降比过渡段台阶式沉降对列车振动更不利。基于列车行车动力响应,综合考虑当桥梁发生5 mm徐变时,铺设纵连式无砟轨桥梁桥墩差异沉降阈值为10 mm,桥后45 m范围内路桥路基段不均匀沉降阈值为8 mm。

轨道纵向刚度变化对快速列车轮轨受力的影响

由于轨道刚度是铁路轨道设计的重要参数 ,直接影响到列车的运行安全和平稳性 ,因此运用车辆 -轨道垂向系统统一模型和新型预测 -校正数值积分法 ,对铁路快速列车以不同速度通过因道床和轨下垫层刚度变化而引起的动力不平顺轨道段时车辆和轨道的响应进行了仿真计算 ,进一步分析了轨道纵向刚度变化对铁路快速列车轮轨受力的影响 .