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。

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。

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。

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.

车辆-轨道耦合系统中基于变参数的三维图形仿真研究

建立一个随参数改变而改变的三维可视模型 ,是机车车辆 -轨道耦合系统动力学可视化的一个急待解决的重要问题 .文中将可视化、三维建模技术引入机车车辆 -轨道耦合动力学仿真中 ,系统地研究了机车车辆轨道耦合系统的基于变参数的三维图形仿真的方法 .综合建立了车辆模型的动态装配三维图形系统 ,直、曲线轨道的的三维离散结构等 ,为机车车辆 -轨道耦合动力学仿真建立了一个有效的可视化综合仿真平台 .

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。

线路随机不平顺对车辆-轨道耦合系统动力响应分析

利用有限元法 ,建立了车辆 轨道耦合系统动力计算模型。在这个模型中 ,系统被分解为上部结构和下部结构两部分。上部结构为附有二系弹簧系统的整车模型 ,考虑车体和转向架的沉浮振动和点头振动。下部结构为轨道 ,钢轨被离散为双层弹性基础上有限长度的梁。对两系统分别用迭代法单独求解。轮轨间的耦合通过轮轨间的相互作用力来实现。同时 ,将轨道高低不平顺视为平稳各态历经随机过程。运用该模型 ,对不同线路等级和不同列车速度条件下车辆 轨道系统的垂向随机振动做了计算 。

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。

扣件刚度对车辆-轨道-桥梁耦合系统频率响应的影响

为了研究扣件刚度变化对车辆-轨道-桥梁耦合系统频率响应的影响,基于车辆-轨道-桥梁耦合动力学理论,运用动柔度法建立车辆-轨道-桥梁垂向耦合振动频域分析模型,分析扣件刚度变化对车体、转向架、轮对、钢轨和桥梁振动响应的影响。计算结果表明:扣件刚度的变化对车体、转向架的振动影响较小,对轮对、钢轨和桥梁的振动影响较大。随着扣件刚度的增大,车辆-轨道-桥梁耦合系统在频域小于20Hz范围内的低频振动响应基本不变,20～63Hz之间的振动响应略微减小,63 Hz以上的振动响应则增大。轮对、钢轨和桥梁的振动加速度都显著增大,振动频率也向高频方向发生偏移。而且桥梁振动峰值频率是由轮轨耦合共振频率决定的。

基于多目标优化的高速铁路车辆-轨道-桥梁空间耦合系统模型修正研究

为了提高高速铁路车辆-轨道-桥梁空间耦合系统仿真结果的准确性,提出1种基于多目标优化的模型修正方法。以高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道为模型修正对象,建立高速铁路车辆-轨道-桥梁空间耦合系统模型,基于现场实测的轴箱加速度和仿真结果验证模型的可靠性。建立多目标模型修正函数,采用拉丁超立方法对模型参数进行灵敏度分析,获得待修正参数。基于多岛遗传算法,对多目标模型修正函数进行全局寻优,完成模型的修正。结果表明:修正后的仿真模型既能准确地反映轴箱加速度的时域分布特征,又能准确地模拟轨道及桥梁结构的动态响应,因而基于多目标优化的高速铁路车辆-轨道-桥梁空间耦合系统模型修正是有效和可行的。

客运专线轨道-路基-地基系统临界速度分析

针对我国客运专线线路的实际情况,建立移动荷载作用下轨道-路基-地基耦合系统振动模型,分析路堤上有砟与无砟轨道情况下轨道-路基-地基系统临界速度,并讨论基床变形模量和基床厚度对系统临界速度的影响。分析结果表明:单个移动荷载作用下轨道-路基-地基系统中存在一临界速度,可称为线路临界速度;线路临界速度主要由轨道抗弯刚度、轨道-路基的参振质量和地基土层的弹性模量决定;提高线路临界速度的措施有:增加轨道抗弯刚度、对软土地基进行改良加固、选用轻质路基填筑材料以减小路基的参振质量。

弹性轮对车辆-轨道垂向耦合系统动力学研究

建立了弹性轮对车辆 -轨道垂向耦合系统动力学模型 ,推导了弹性轮对车辆 -轨道垂向耦合系统振动微分方程。通过输入脉冲型激扰 ,对弹性轮对车辆 -轨道垂向耦合系统进行了轮轨力及轮轨接触应力的动力学仿真 。

轨道刚度对车辆-轨道系统频率响应的影响

研究目的：目前，轨道刚度变化对车辆一轨道耦合系统频率响应的影响规律尚不明确，本文基于车辆一轨道耦合动力学理论，以既有提速线路为例，从频率角度，研究轨道刚度变化对车辆一轨道耦合系统振动响应的影响。研究结论：（1）轨道刚度的变化，对车体、转向架的振动影响较小，对轮对及轨道结构的振动影响较大；轨道刚度的增大，对27Hz以下的低频振动基本无影响，27～70Hz之间的中低频振动略有降低，100Hz以上的中高频振动显著增大；（2）随扣件刚度的增大，轮轨力谱以及轮对、钢轨振动加速度谱的最大值均显著增大，且振动频率有向高频发展的趋势；（3）随道床刚度的增大，频率响应谱的最大值变化相对较小，轮轨力、轮对、钢轨和轨枕的振动频率向高频移动；（4）总体上看，扣件刚度对耦合系统振动响应的影响较大，在线路维修时应及时更换恶化的扣件系统，道床刚度变化的影响相对较小，其维修周期可适当延长；（5）该研究可指导轨道结构的优化设计以及轨道的养护维修。

高速铁路路基-地基系统振动响应分析

推导了有砟轨道-路基-地基系统在轮轨接触点处的柔度矩阵,建立了考虑轨道不平顺的车辆-有砟轨道-路基-层状地基垂向耦合振动解析模型。通过算例分析了单台TGV高速动车引起的路堤本体-地基系统振动,得到路堤本体表面的垂向位移,研究了列车速度、轨道不平顺、基床刚度和路堤土体刚度对路堤本体振动的影响。研究结果表明:路堤本体垂向位移主要由移动列车轴荷载引起;随着列车速度的提高,路堤振动的"波动性"明显增加;基床刚度和路堤土体刚度对路堤振动影响显著,可通过增大基床和路堤土体刚度来减小高速列车引起的路基振动。

基于结构参数不确定的列车-轨道-路基系统耦合振动概率分析

列车荷载作用下有砟轨道-路基耦合系统结构参数的不确定性引起的随机振动对行车安全的影响不可忽略。本文提出了一种基于概率密度演化理论的三维列车-有砟轨道-路基耦合系统随机振动概率仿真分析模型,该模型可同时考虑轨道随机不平顺、道砟层和路基层随机刚度、随机阻尼等耦合效应,为列车-轨道-路基系统随机振动分析提供了一种全新的计算分析方法。采用数论方法对多维随机参数进行代表性离散数组点设计。结果表明,与蒙特卡罗模拟方法相比,概率密度演化模型开展随机振动分析更为准确、高效。基于算例开展了多维随机参数的敏感性分析,系统地评估了不确定结构随机参数的相对重要性,并在此基础上探讨了列车-轨道-路基系统的随机概率演化机制。

车辆-轨道系统时-空随机分析模型

车辆-轨道耦合系统具有时-空域的随机特征。为了更好地研究车辆-轨道系统的时-空随机演化过程,提出车辆-轨道系统时-空随机分析模型。该模型将车辆-轨道耦合系统分为车辆子系统、轨道子系统及轮轨界面系统,可考虑车辆系统、线路系统参数的随机性及轨道随机不平顺的时变性,同时采用数论法实现不同动力参数的组合,用概率密度演化方程解决系统激励输入与响应输出的概率密度传递问题。最后,采用该模型分析了不同变异系数下的车辆-轨道系统时-空随机振动,分析中假定系统动力参数服从正态分布,并基于实测数据进行轨道不平顺的时-空随机模拟。结果表明:依据本文模型得到的计算结果符合物理概念;由于动力参数的随机变异性直接与时间相关,使得利用此随机分析模型,探讨系统动力响应的随机演化机制、制定考虑长时效的系统动力指标限值及养修计划成为可能。建议完善车线系统参数的基础检测资料。

车辆-轨道-桥梁空间耦合振动引起的环境振动

首先建立了车辆-无碴轨道-桥梁系统空间耦合振动模型,通过随机振动分析得到桥墩墩底反力,然后建立了土体-建筑物的三维有限元模型,并将以上得到的墩底反力作为土体-建筑物三维有限元模型的外部激励。分析结果表明,周围土体振动强度随距离的增加而减小,且都存在反弹区;周围建筑物的振动强度随桥墩距离的增大而减小,且在建筑物低层横向和竖向振动相差不大,但是到了高层处横向振动明显大于竖向振动。

基于轮轨时变接触刚度的车辆-轨道系统垂向振动分析

采用轮轨时变接触刚度代替轮轨非线性接触力的动力效应,模拟轮轨之间的自然接触状态,将有限元理论和能量变分法用于建立车辆-轨道系统垂向统一方程。通过输入脉冲型短波及中、长波不平顺激励,计算系统的动力响应,验证本文模型的正确性,并与国内常用的轮轨密贴模型进行比较分析。研究结果表明:轮轨密贴模型在分析中、长波不平顺激励工况下的系统动力响应是可行的;但在短波不平顺激励工况下,轮轨之间的刚性处理方法将放大短波激励效应,车轮"跳轨"处理方法尚需改进。

车辆-轨道系统激振源随机分析

简述轨道不平顺的时-空随机特性和时-空随机样本的概率计算及反演方法 ,基于弹性系统动力学总势能不变值原理、形成矩阵的"对号入座"法则以及车辆-轨道耦合动力学理论,建立适合不同激振源的车辆-轨道系统动力计算模型。通过车辆-轨道系统激振源随机分析,论证系统激振源与系统随机响应之间的概率转换关系;采用激振源时-空随机分析方法,可以获取系统在不同概率水平下的振动响应;将构架蛇形波作为车轨系统横向激振源计算系统响应极值具有一定的可行性。