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.

一系螺旋弹簧动刚度对车辆-轨道耦合振动影响分析

建立准确表征一系悬挂轴箱螺旋弹簧波动特性的力学模型,运用动刚度矩阵法求解,研究其对悬挂系统隔振性能影响。结合基于格林函数法的车辆-轨道耦合动力学模型,引入弹簧刚度频变特性,对比分析考虑一系螺旋弹簧频变刚度前后车辆动力学性能之间的差异。结果表明,动刚度矩阵法可以精确求解螺旋弹簧随频率变化的动刚度特性,在一阶模态振动频率后弹簧刚度值呈现103等级的剧烈变化,该结果与有限元模型结果一致;一系螺旋弹簧的动态频率特性导致轮轨激励由车轮至构架的振动位移传递率提高到接近于1,而对车体的振动传递率提高到了10-3左右;在整车车辆-轨道动力学计算中,其对轮轨振动影响较小,但车体与构架出现了较高的高频振动能量峰值。包含一系悬挂动刚度的车辆模型更接近实际,为了降低车辆振动,应尽量提高一系螺旋弹簧自振频率并降低动刚度变化幅值。

机车-轨道耦合振动对受电弓-接触网系统动力学的影响

机车与轨道、受电弓与接触网之间相互作用、相互影响，共同构成铁路大系统。本文通过建立受电弓－接触网动态相互作用模型，并运用机车－轨道耦合动力学理论分析方法，研究了机车－轨道系统对受电弓－接触网系统的振动影响问题。结果表明，列车在几何状态不良的线路上运行时，机车与轨道的耦合振动对弓网系统动态性能影响较大，特别是在较高行车速度状态下，这种影响更为明显，不容忽视。

轨道-箱梁耦合振动模型试验设计与验证

为研究基于模型试验的轨道-箱梁耦合振动反演方法,从理论上探讨多层结构层间耦合相似关系,根据弹性力相似律和相似π定律,设计、制作几何相似比为101的轨道-箱梁耦合相似模型,分析轨道板密度和弹性模量、扣件刚度、CA砂浆层刚度等参数对系统相似性的影响。通过模态试验、有限元法验证模型设计的正确性及原型与模型间的相似关系。结果表明,通过模型试验方法,依据模型与原型间的相似关系反演现场不同工况条件下的振动水平;当某一结构层在荷载方向上的几何尺寸远大于其他结构层时,依据弹性力相似律,原型与模型间的耦合相似关系可由箱梁材料参数导出;轨道板密度及弹模变化,对结构前五阶模态影响误差最大为0.033%;在200~500 Hz范围内,扣件刚度、CA砂浆层刚度变化对箱梁振动加速度的最大影响分别为2.542%、4.326%。

基于格林函数法的车辆—轨道垂向耦合系统随机振动分析

视钢轨为弹性欧拉梁（Euler梁）,建立离散支撑弹性轨道模型,并采用格林函数法得到全频域范围内轨道上任意点处的频率响应;结合高速车辆模型,视车辆和轨道系统为线性弹簧阻尼系统,轮轨接触为线性刚性接触,采用基于虚拟激励法的轮轨接触多点激励,以真实轨道谱为输入,计算车辆—轨道垂向耦合系统的随机振动响应,并分析不同高速轨道谱和车速对车辆—轨道垂向耦合系统随机振动的影响。结果表明：采用格林函数法可快速求解无限长离散支撑弹性轨道模型的频响特性;分析振动频率在15 Hz以上的车体及构架振动时,采用离散支撑弹性轨道模型较传统的刚性轨道模型更为准确;计算车辆—轨道垂向耦合系统的振动能量时,在15-60Hz的中频区域内,采用离散支撑弹性轨道模型得到的计算结果要高于传统的刚性轨道模型,而在高频区域内则相反;车辆—轨道垂向耦合系统的随机振动响应对轨道谱类型和车速均较为敏感。

非一致地震激励下列车-轨道-桥梁耦合振动模型

为探讨行波效应对地震作用下高速铁路桥上列车行车安全性的影响,基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,采用35个自由度的机车车辆模型、板式无砟轨道模型和桥梁有限元模型,通过引入地震多点激励模式,建立了非一致地震激励下的列车-轨道-桥梁耦合振动模型,并编制了相应的仿真分析程序.以跨度32 m的简支梁桥为例,输入El Centro地震波,计算了一致激励和行波激励下车桥系统的动力响应.结果表明:行波效应对耦合系统动力响应幅值的影响很大.当车速为350 km/h、行波速度为300 m/s时的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力比一致激励分别降低84.1%、19.5%和87.8%.因此,忽略行波效应可能造成对地震时桥上列车行车安全的误判.

轨道梁结构对中低速磁浮车轨耦合振动的影响

建立了双级电磁悬浮控制器模型,轨道梁采用Euler-Bernoulli模型,基于单点悬浮控制系统建立“车辆-控制器-弹性梁”耦合动力学数值模型。对控制参数引起的车轨耦合失稳振动的特性进行分析,仿真计算不同轨道梁结构参数下,对中低速磁浮车轨耦合振动影响进行研究。结果表明:发生频率较低的车轨耦合振动时,轨道梁结构参数的改变对车轨耦合振动无明显影响;发生频率较高的车轨耦合振动,轨道梁固有频率随轨道梁结构而改变时,对车轨耦合振动影响明显;轨道梁固有频率不随轨道梁结构参数改变时,对车轨耦合振动无明显影响;轨道梁结构阻尼可以有效抑制车轨耦合振动响应。低频车轨耦合振动,轨道梁结构改变无法控制车轨耦合振动,车轨发生高频耦合振动时,增大轨道梁结构阻尼比及改变轨道梁固有频率均能有效控制车轨耦合振动,因此实际工程中可以考虑轨道梁下安装阻尼器和吸振器来改变轨道梁结构参数和结构阻尼来抑制振动。

基于传递矩阵法的车辆-轨道垂向耦合系统动力分析方法

为准确高效求解车辆-轨道耦合系统动力响应,利用轨道结构的周期性特征,基于传递矩阵法(transfer matrix method,TMM)提出了一种便捷的轨道子系统建模和求解方法。该方法根据轨道系统结构特点,分别将有砟轨道和CRTSⅡ型无砟轨道系统的周期性重复部分划分为不同轨道元胞结构,在元胞结合面引入刚度方程假定,基于元胞结构动力方程推导元胞内部及相邻元胞间的传递关系,进而建立整体轨道子系统的状态矢量传递模型,最后结合轨道结构边界条件和轮轨间相互作用力,采用直接积分法求解轨道元胞结构的动力响应。车辆系统采用10自由度的车辆模型,并基于轮轨线性赫兹接触模型,通过轮轨相互作用力与轨道系统实现耦合。以高速动车通过无砟轨道结构为计算背景,对TMM和有限元直接刚度法(direct stiffness method,DSM)的计算结果进行对比分析。研究结果表明,该方法显著地降低了车-轨耦合系统中轨道子系统的自由度数目,具有较高的计算精度和计算效率,且建模便捷,可有效地用于车辆-轨道耦合系统的动力响应分析。

基于梯形轨枕轨道振动特性的钢轨波磨研究

针对我国部分地铁线路出现振动噪声加剧及钢轨异常波磨的现实情况,研究减振轨道钢轨波磨产生原因。利用仿真软件Simpack建立包含地铁车辆和轨道结构的车辆系统动力学模型,分析车辆通过速度与轨道结构振动频率的关系以及弹性轨道结构共振特性,得到梯形轨枕轨道钢轨波磨可能形成原因。研究结果表明:在振动频率230 Hz(R 1200 m)、225 Hz(R 2000 m)以及211 Hz(R 3000 m)处,内侧钢轨与梯形轨枕出现更为明显的共振现象,仿真计算波磨波长和现场实测数据接近;对比相同曲线半径下的普通轨道和梯形轨枕轨道振动频率的分布情况,得出钢轨波磨与轨道结构固有振动特性有关。轨道结构固有振动特性及车辆曲线通过速度是造成钢轨波磨形成的关键因素。

车-桥耦合振动2019年度研究进展

车辆运行于桥梁上,车辆与桥梁之间相互作用、相互影响,称为车-桥耦合振动。车-桥耦合振动理论为桥梁设计、线路运营、维护及管理提供了理论基础、分析方法和评估手段,具有重要的工程应用价值。自20世纪起,众多学者已经开展了大量卓有成效的研究工作。近年来,中国交通运输行业飞速发展,稠密的交通网、紧张的运能、复杂的线路条件等因素对传统的车-桥耦合振动理论提出了新的挑战,也催生了相关先进理论技术的发展。为了促进该领域后续更加全面深入的基础研究,对轨道不平顺作用下的车-桥耦合振动、轨道不平顺作用下的车-桥耦合随机振动、风车-桥耦合振动、地震车-桥耦合振动、磁浮交通车辆轨道梁耦合振动等5个方面在2019年的研究进展进行了总结,并对研究热点和展望进行了梳理。

桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统动力特性的影响

桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统的动力学特性具有重要的影响,直接关系到桥上列车的行车安全性和运行平稳性。基于列车—轨道—桥梁动力相互作用理论,以高速铁路常用的简支箱梁桥和双块式无砟轨道为研究对象,采用列车—轨道—桥梁动力学仿真通用软件TTBSIM2.0,研究桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统动力性能的影响规律。结果表明:当桥梁梁体的刚度或者桥墩的横向刚度不足时,车辆和桥梁的相关动力性能指标将随着刚度的减少而急剧增大,严重影响列车过桥时的安全性和平稳性;当梁体垂向刚度不足时,有可能会引发车桥共振现象;当桥梁结构刚度满足设计规范要求时,车桥系统动力响应指标随刚度变化不明显,此时行车速度和轨道不平顺成为影响行车安全性和平稳性的主要因素。

考虑轮胎侧偏特性的跨座式单轨车桥耦合振动模型

为研究跨座式单轨交通车辆-轨道梁系统的耦合振动,以重庆市跨座式单轨交通-预应力混凝土简支梁为研究对象,建立了车辆和轨道梁的耦合振动模型。每节车辆简化为15个自由度的动力系统,并考虑所有轮胎的侧偏特性。车辆运动微分方程由拉格朗日方程导出,轨道梁简化为欧拉梁,用模态综合法建立其运动微分方程。计算了列车以不同车速通过时轨道梁的动力响应,并与实测结果和不考虑轮胎侧偏特性的模型做了比较。计算结果表明:考虑轮胎侧偏特性的模型的计算值及变化规律更接近实测值;研究竖向耦合振动问题时可不考虑轮胎的侧偏特性,研究横向耦合振动问题时应该考虑侧偏特性的影响。

轨道不平顺波长对桥上CRTS Ⅱ型板式轨道振动特性的影响

轨道不平顺的波长、幅值不同,对车辆—轨道动力响应所起的激扰作用也不同。高速客运专线行车速度高,在严格实行轨道不平顺幅值管理与均值管理基础上,必须考虑轨道不平顺波长对车-轨-桥动力性能的影响,其中轨道不平顺幅值控制较为容易,但波长控制相对更为复杂。基于此,本文利用车辆-轨道-桥梁耦合振动有限元分析模型,以德国高速低干扰轨道不平顺样本作为轨道不平顺激励模型,分析轨道不平顺波长对我国高速客运专线高架轨道结构振动的影响规律。研究结果表明:轨道不平顺对轮轨力的影响不仅体现在幅值上,轨道不平顺的波长分布特性也是影响轮轨相互作用的主要因素之一。轮轨力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度、桥梁振动加速度受随机不平顺的短波长成分的影响显著;减少轨道不平顺中1 m左右的短波长成分是降低轮轨力、控制轨道结构振动响应的有效手段;钢轨振动加速度级、轨道板振动加速度级、桥梁振动加速度级受轨道不平顺短波长成分影响也较大。

地铁小半径曲线段钢弹簧浮置板轨道的钢轨波磨研究

针对我国部分地铁线路出现振动噪声加剧及钢轨异常波磨的现实情况,开展地铁钢轨波磨形成机理的研究。利用多体动力学仿真软件Simpack建立包含地铁车辆和轨道结构的车辆系统动力学模型,研究车辆-轨道系统动力学性能以及弹性轨道系统振动特性对波磨形成的影响。研究结果表明:车辆通过曲线半径300m的钢弹簧浮置板轨道时,产生欠超高的速度以及降低曲线超高均可以降低轮轨间作用力;内侧钢轨的轮轨磨耗指数和横向蠕滑力均大于外侧,尤其在速度为55km/h时,无论轮缘是否贴靠钢轨,内侧钢轨所受应力均相对较大,造成内轨磨耗加剧;从曲线内外侧钢轨和轨道板频谱特性可知,内侧钢轨与轨道板发生共振现象所对应的频率140Hz与现场测试得出的通过频率139Hz相接近。轮轨间横向滑动造成的钢轨磨耗和轨道结构的垂向振动可能是造成曲线钢轨波磨的主要原因。

高速铁路变截面梁桥车致振动及徐变影响分析

基于Hertz弹性接触,推导了考虑徐变变形的轮轨接触单元动力方程,给出了简化的变截面梁单元质量和刚度矩阵,建立了列车-轨道-桥梁耦合振动方程。针对实际预应力混凝土连续梁桥,计算了徐变变形引起的不平顺(徐变不平顺),结合随机不平顺,并考虑两者的组合,对比分析了3种轨道不平顺对系统动力响应的影响。结果表明:推导的变截面梁单元是合理有效的;桥梁共振效应显著,应按实际冲击系数进行设计,并考虑每个位置的动力响应;徐变不平顺对桥梁响应影响很小,但能明显增大车体加速度和接触力,会引起强烈的梁端冲击,应重视控制徐变变形及形成的梁端折角;随机不平顺能显著增大接触力、桥梁和车体加速度;而组合不平顺能导致系统最不利状态。

跨座式列车与预应力混凝土轨道梁动力特性分析

为研究跨座式单轨列车与预应力混凝土轨道梁的动力特性,建立了列车-轨道梁空间耦合振动模型.车辆运动微分方程由拉格朗日方程导出,轨道梁用模态综合法建立其运动微分方程.计算了不同车速下车辆和轨道梁的动力响应.结果表明:车速对轨道梁挠度的影响较小,但对加速度影响较大;在计算车速下,轨道梁具有良好的动力特性,列车能安全舒适地通过此轨道梁.

高性能湿接装配式长型浮置板静动力性能研究

研究目的:综合现浇长板和预制短板两种浮置板轨道的优点,提出一种通过高性能混凝土湿接缝将预制短板连接成长板的浮置板设计方案。通过对该方案和对比方案的车轨耦合动力计算及对其不利状态下的静动力分析,从多方面验证该方案的可行性和优越性,并为其设计及应用提供依据。研究结论:(1)长板正弯矩相比短板有所增大,湿接缝位置相对于其他预制部位弯矩无明显区别;(2)长板在整体动力性能上要优于短板,带剪力铰湿接长板在降低浮置板振动加速度方面有明显优势;(3)浮置板结构在地铁运行车速下动力放大作用较小,隔振器阻尼对板的振动加速度有较大影响;(4)基础沉降和隔振器失效不利状态对长型浮置板响应有明显不利影响,应通过合理配筋设计予以解决;(5)本文研究可为该新型浮置板轨道系统的进一步设计及应用提供参考依据。

重载机车车轮擦伤下的轮轨动态响应

车轮踏面擦伤会造成剧烈的轮轨冲击作用,加剧车辆和轨道结构部件的疲劳破坏。为揭示实际车轮擦伤状态下的重载机车-轨道耦合振动响应特征,基于车轮擦伤的现场实测数据,拟合出了车轮擦伤模型。采用重载机车-轨道耦合动力学模型,详细考虑了钢轨垫层与扣件弹条相互作用,分别从时域和频域角度仿真计算了机车车轮擦伤引起的轮轨动态响应。研究结果表明:实际车轮擦伤呈不对称的几何形状;车轮擦伤激起的冲击力对轨道部件影响较大;车轮擦伤可能引发钢轨与扣件系统的短暂分离。研究结果可为踏面损伤识别、轨道部件检修提供理论参考。

高速铁路简支箱梁结构噪声的边界元方法

将列车-轨道-桥梁耦合振动理论与声辐射分析的边界元法相结合,以高速铁路32 m简支箱梁为研究对象,分析桥梁结构声辐射频谱特性、传播规律和各影响因素。结果表明:采用板单元进行桥梁结构动力分析能更好地揭示其局部振动特性;桥梁结构噪声以低频为主,分布在f≤200 Hz的频带内,适于用边界元法求解其声辐射特性;由于地面对声波的吸收和反射作用,在桥梁结构噪声研究中应考虑地面对声波的影响;声屏障会改变桥梁上部声场分布,但对桥梁远场声压级影响不大;列车速度越高,桥梁结构噪声越大,但并非单调增加,在某些速度出现峰值;墩身高度对桥梁上方声场影响不大,对桥梁正下方距地面相同高度处影响较大。

遭遇横风时高墩高架上的地铁车辆运行安全性

首先,基于山区城市地铁线路条件,建立风区横风-车辆-高墩桥梁模型;然后,选取计算参数并确定评价指标,对风-车-桥系统的特性进行分析;最后,对车速及风速的影响规律和安全阈值进行研究.结果表明:风区条件和高墩条件不可忽视;横风引起车、梁及墩的剧烈振动,由于高墩稳定性较差,加剧车辆运行的不稳定性;车-桥系统响应随风速显著增加,且随车速出现波动;当标准高度风速达到21.4m·s^-1时,已无法保证车辆以最高时速运行.