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。

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。

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。

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。

机车-轨道空间耦合动力学模型及其验证

基于车辆 -轨道耦合动力学理论 ,以六轴机车为例 ,建立了机车 -轨道空间耦合动力学模型 ,并编制了相应的计算机仿真软件。通过与实车线路试验结果进行比较 ,表明该模型及其仿真软件是正确可靠的 ,可以用于分析研究机车与轨道的动态相互作用问题 。

基于UM的车辆-轨道耦合动力学建模及仿真分析

基于多体系统动力学理论,分析某动车各构造拓扑关系及其力学特性,利用多体动力学软件UM建立50个自由度的车辆-轨道动力学模型,仿真分析了车辆的非线性临界速度、脱轨系数、振动加速度及平稳性指数等动力学特性,获得了该型动车直线运行的非线性临界速度477km/h;以200km/h的时速通过曲线半径R=4 000m的曲线线路时车体横向、垂向Sperling平稳性指数分别为2.01和1.69;车体横向、垂向加速度分别为0.062g和0.046g;1位轮对的最大脱轨系数和轮重减载率分别为0.182和0.406 4.研究结果表明:该型动车具有较好的动力学性能.

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。

实测轨道不平顺激励对地铁车辆动力学性能的影响

文章基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立了考虑实测轨道不平顺激励的地铁列车-轨道空间耦合动力学模型;分析了线路实测不平顺与现有仿真常用的美国AAR6级轨道谱对列车-轨道耦合系统动力学行为的影响。结果表明:现有仿真采用的美国AAR6级轨道谱会高估轮轨相互作用状态和轨道变形,却严重低估了轨道系统的振动影响。因此,开展符合我国城市轨道交通实际状态的轨道谱的研究,能够有效提高车辆-轨道力学性能评估的准确性,使我国城市轨道交通得到进一步的发展。

基于车辆-轨道耦合动力学的400km/h高速铁路线路平面参数设计研究

为推进我国400km/h等级高速铁路的规划建设和创新发展,本文基于车辆-轨道耦合动力学理论,开展了既有350km/h高速铁路曲线设计参数适应性分析和400km/h高速铁路线路平面参数设计方法研究,揭示了平面参数匹配关系对系统动力学性能的影响规律。研究结果表明:当曲线半径小于7000m时,既有规范的曲线设计参数不再适用;在满足动力学指标和欠/过超高限值要求的条件下,并考虑留有一定的安全裕量,建议400km/h高速铁路曲线半径不应小于7500m;相比于既有欠/过超高设计要求,综合考虑车轨系统动力学性能指标来设计曲线超高具有更宽的合理设置范围。本文通过系统的动力学分析,提出400km/h条件下曲线线路平面参数匹配建议值,并评估了其安全裕量,研究成果可为400km/h高速铁路线路平面设计提供理论参考。

基于车辆-轨道耦合动力学理论的车辆动态包络线计算

针对现行车辆限界评判标准中考虑因素不全面、计算结果偏于保守的缺陷,研究了车辆在具体线路轨道上运行时的动态包络线计算问题。基于车辆-轨道耦合动力学理论,考虑轨道参振对车辆动态包络线的影响,并综合车辆在运行过程中所涉及到的其他限制因素,提出了一种精确计算车辆动态包络线的新方法,并运用该方法开展了工程实际应用研究。仿真结果表明:运用客车-轨道空间耦合模型计算车辆动态包络线时,计算过程更方便快捷,计算结果更直观精确,可为制定更加合理的车辆限界标准提供理论支撑。

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 。

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.

轨道结构随机场模型与车辆-轨道耦合随机动力分析

将轨道结构视为一个参数随机系统,提出并建立了轨道结构的随机场模型.利用车辆-轨道耦合动力学的基本方法,将轨道系统有限单元模型与多刚体车辆模型相结合,建立了考虑铁路线路参数空-时随机变化的车辆-轨道动力计算模型.算例表明:所提出的方法较为可靠且高效;线路参数随机性对车辆-轨道系统的动力响应有明显的影响,随线路参数离散程度的增加,可能造成行车不安全、轨道损伤加剧等一些问题.

车辆-轨道空间非线性耦合系统交叉迭代算法及应用

基于有限元法建立了车辆-轨道空间非线性耦合系统动力学模型,提出了将迹线法融入交叉迭代法求解车辆-轨道空间非线性耦合系统动力学的方法。车辆-轨道空间非线性耦合模型包含车辆子系统和轨道子系统,其中车辆子系统为31自由度的整车模型,轨道子系统采用空间梁单元、黏弹性弹簧阻尼元件和三维块体单元模拟,两子系统通过轮轨相互作用实现耦合。轮轨接触几何关系采用“迹线法”与“最小距离法”计算,运用Newmark数值积分交叉求解车辆子系统动力学方程和轨道子系统动力学方程。为验证算法的可行性,进行了算例对比计算。作为应用实例,分析了CRH2高速动车通过CRTSⅡ无砟轨道时引起车辆和轨道结构的动力响应,并选择列车速度和轨道不平顺对车辆-轨道耦合系统动力响应的影响进行了参数分析。计算结果表明,将迹线法融入交叉迭代法求解车辆-轨道空间非线性耦合系统动力问题的算法具有计算精度高、收敛速度快和程序编制容易的特点。

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。

轨道动力学层状梁模型与算法中的几个问题

研究目的:轨道结构层状梁模型由于模型简单,被广泛应用于轨道动力学及车辆-轨道耦合系统动力学分析中。简化的轨道结构层状梁模型能否反映半无限空间上实际轨道结构的变形规律和动态特性,运用轨道结构层状梁模型得到的车辆和轨道结构动力响应精度如何,这些问题还未见系统研究。本文通过建立车辆-轨道结构层状梁非线性耦合系统动力学模型,构建运用交叉迭代法分别独立求解车辆和轨道结构动力学方程的显示算法,对比分析轨道结构层状梁模型与轨道结构三维块体单元模型的计算结果,以及轨道结构层状梁模型与轨道结构半无限空间模型计算结果的差异,分析轨道结构层状梁模型在车辆-轨道耦合系统动力学分析中的适应性。同时,还对比分析交叉迭代法与传统的耦合方程算法在求解车辆-轨道耦合系统动力响应时的计算效率、计算精度和算法特点。研究结论:(1)采用层状梁轨道模型模拟轨道结构是可行的,计算结果具有良好的精度,能够满足工程问题的分析要求;(2)交叉迭代法相对于传统的耦合方程算法计算效率更高,精度更好,用时更省,程序设计更容易,不仅适用轮轨线性接触分析,而且适用轮轨非线性接触分析;(3)通过引入松弛因子对轮轨接触力进行修正,可加快交叉迭代算法的收敛速度;(4)验证了轨道结构层状梁模型的可行性和交叉迭代算法求解的优越性,可为高速铁路轨道动力学高效建模和精确分析提供参考。

机车车辆-轨道耦合动力学研究及应用成果荣获国家科技进步一等奖

2006年1月9日，国务院总理温家宝在全国科技大会上宣读了《国务院关于2005年度国家科学技术奖励的决定》。由西南交通大学牵引动力国家重点实验室副主任、列车与线路研究所所长、“长江学者”特聘教授、国家级有突出贡献的中青年专家、本刊编委翟婉明教授主持完成的科研成果“铁道机车车辆一轨道耦合动力学理论体系、关键技术及工程应用，，荣获2005年度国家科技进步一等奖。此前，该成果已入选2005年度“中国高等学校十大科技进展”。

《车辆-轨道耦合动力学》第3版出版

西南交通大学牵引动力国家重点实验室翟婉明教授撰写的专著《车辆-轨道耦合动力学》第3版已于2007年由科学出版社出版，全书50万字，共18章，分上、下两篇。 第3版是作者在1997年出版的第1版、2002年出版的第2版专著《车辆-轨道耦合动力学》的基础上，根据近年来承担国家、铁道部、教育部、四川省和铁路应用部门的一系列相关科研课题研究取得的最新成果重新撰写、修订而成的，在前2个版本的基础上有了重要发展．新版本理论体系上更趋完整，

机车车辆-轨道耦合动力学研究取得系统性成果荣获2005年度国家科技进步一等奖

西南交通大学“长江学者”特聘教授、国家级有突出贡献的中青年专家翟婉明教授领导的研究小组，在国家自然科学基金、国家杰出青年科学基金及铁道部科技研究开发计划等持续支持下，经过15年研究，在机车车辆-轨道耦合动力学研究领域取得了系统性成果。“铁道机车车辆-轨道耦合动力学理论体系、关键技术及工程应用”入选2005年度“中国高等学校十大科技进展”，荣获2005年度国家科技进步一等奖。