基于模态叠加法和直接刚度法的列车-轨道-桥梁耦合系统高效动力分析混合算法

为提高列车-轨道-桥梁耦合系统(Train-Track-BridgeCoupledSystem,TTBS)动力分析的计算效率,该文基于作者之前提出的TTBS动力分析混合模型,结合模态叠加法和直接刚度法,提出了一种改进的混合方法(Improved Hybrid Method,IHM)。该方法中,列车动力方程通过多刚体动力学方法建立;轨道结构动力方程通过直接刚度法建立以准确求解其高频局部振动响应,桥梁结构动力方程通过模态叠加法建立以降低其自由度数目。列车和轨道结构通过轮轨线性Hertzian接触关系耦合为列车-轨道耦合时变子系统,轨道与桥梁间通过轨-桥相互作用力的平衡迭代实现耦合。首先以朔黄重载铁路32 m简支梁桥现场试验数据验证了该文方法的正确性。然后,以CRH2型高速动车组通过万宁系杆拱桥为例,探究了桥梁振型数量对动力响应指标计算精度的影响规律,最后,对比三种不同的列车-轨道-桥梁耦合系统动力分析方法的计算结果及耗时,结果表明:同样的计算精度下,该文方法具有更高的计算效率。

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。

高架轨道-桥梁耦合系统振动特性分析

分别建立了钢弹簧浮置板轨道-桥梁耦合系统、弹性扣件轨道-桥梁耦合系统的有限元模型,分析比较了该2种轨道-桥梁耦合系统在不同桥梁支座下的振动特性。结果表明,桥梁弹性支座降低了系统的刚度,从而使系统的固有频率低于刚性支座下的固有频率;钢弹簧浮置板轨道-桥梁耦合系统的固有频率随着轨道板下弹簧刚度的增大而增大;扣件刚度的改变对于弹性扣件轨道-桥梁耦合系统的振动特性几乎没有影响;钢弹簧浮置板轨道-桥梁耦合系统以及弹性扣件轨道-桥梁耦合系统的固有频率均低于桥梁自身的固有频率。

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。

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。

复合轨道不平顺对车辆—轨道—桥梁耦合系统的影响

轨道不平顺是引起车辆、轨道及桥梁结构产生振动的主要激励源.建立了车辆-轨道-桥梁耦合系统模型,采用新型显式积分法对系统方程进行求解,研究了复合轨道不平顺对系统动力学性能的影响.结果表明复合轨道不平顺的情况相比单一轨道不平顺对车辆运行安全性、平稳性及桥梁运营安全性的影响有的增大了有的却减小了.由此可得,复合轨道不平顺对系统的影响不是单一轨道不平顺影响的简单叠加或相减,需深入研究激励的类型和作用情况.

基于虚拟激励法的车-轨-桥耦合系统的随机振动响应分析

轨道随机不平顺作为引起车辆-轨道-桥梁耦合系统振动的最重要的激励源,对列车过桥平稳性有着至关重要的影响.建立车辆-轨道-桥梁耦合垂向振动模型,采用虚拟激励法,计算随机不平顺激励下车辆运行的平稳性以及轨道和桥梁结构的振动特性,避免了繁复的时频转换和复杂的数值积分.数值分析了不同速度下列车过桥的平稳性和列车对不平顺波长的敏感范围.经过分析得到,列车运行速度越大,过桥平稳性指标越大,即舒适性越差;而且影响列车平稳性的不平顺波长越长,其影响范围越大.

基于遗传算法的高速铁路桥梁损伤识别

针对高速铁路桥梁结构服役局部损伤问题,文章提出一种改进损伤识别因子并结合遗传算法的损伤识别方法。推导了任意单元长度组合的车辆-轨道-桥梁耦合单元及其动力方程,遗传算法采用锦标赛策略及最优保存策略2种选择算子,引入灾变及邻域搜索机制。通过对不同损伤工况进行多次独立重复计算,对算法的稳定性与准确性进行统计分析。结果表明:在信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)大于25 dB时,识别效果好,极少数误判的结果大概率存在于真实损伤位置的附近或对称处;与单个单元损伤情况相比,多个单元损伤工况平均第一次出现最优解的迭代次数略高,但整体都偏低;SNR与识别率(identification rate,IR)呈“扁S”型Logistic曲线关系。

基于频域和时域振动模型的轨道交通桥梁噪声预测对比分析

分别采用基于模态叠加法的时域车辆-轨道-桥梁耦合振动模型和基于移动粗糙度激励的频域耦合振动模型对某U型梁桥的动力响应进行仿真分析,对两种数值方法计算获得的轮轨力和桥梁振动加速度进行对比。然后分别结合2.5维声学边界元和三维声学边界元对两种振动模型的辐射噪声进行预测,并对比了两种模型获得的桥梁噪声频谱和空间分布规律。研究表明,两种模型获得的轮轨力基本相同,且峰值频率一致;考虑多车轮激励效应的频域振动模型和时域模型获得的桥梁振动加速度频谱较为吻合;基于两种振动模型预测的桥梁噪声频谱和声压空间分布吻合较好。

轨道不平顺小样本全信息表达的联合模拟方法

针对传统方法需要生成大量轨道不平顺样本才能涵盖所有随机特征,但样本数多又会导致计算效率低的问题,本文提出了一种自适应采样法(ASM)与改进的第二类随机谐和函数法(MSHF)结合的轨道不平顺模拟的联合方法。ASM自适应选取符合轨道不平顺功率谱密度函数(PSD)谱概率分布的高代表性样本点,从而减少样本数量;之后在SHF中添加一类符合谱概率分布的独立变量进行改进,通过将ASM选取的样本点代入新增变量,实现了轨道随机不平顺的时域小样本全信息表达。以车轨桥耦合系统(TTBS)随机动力分析为例,与传统一次性采样和SHF方法相比,本文方法在提高精度的同时可以减少41.67%的计算时间。

基于车-桥随机振动模型的简支梁桥墩顶垂向动反力特征研究

为研究高速铁路简支梁桥墩顶垂向动反力的随机性特征,基于虚拟激励法和有限元方法,建立了列车-轨道-桥梁耦合系统竖向随机振动模型。采用多体动力学理论建立具有二系悬挂的质量-弹簧-阻尼系统列车模型;采用有限元方法建立轨道-桥梁有限元模型;基于等效Hertz线性轮轨接触关系建立列车-轨道-桥梁耦合系统动力学方程。通过虚拟激励法将轨道高低不平顺转化为一系列简谐不平顺的叠加,将非平稳随机振动问题转化为确定性时间历程问题,推导了列车-轨道-桥梁耦合时变系统随机振动计算模型。基于该计算模型,以五跨32 m预应力混凝土简支箱梁桥为研究对象,研究了轨道不平顺和车速对墩顶垂向动反力随机特征的影响。结果表明:墩顶垂向动反力受列车轴重引起的确定性激励控制,轨道不平顺随机激励对其影响显著;不同轨道不平顺随机激励下墩顶动反力均方根(σ)不同,基于3σ法得到的限值(μ±3σ)相差较大;随着车速的增大,墩顶动反力均方根(σ)逐渐增大。

车桥耦合振动的拱桥吊杆应力冲击系数分析

基于车桥耦合振动理论及地基微波雷达现场试验,研究了高速铁路拱桥的吊杆应力冲击系数。列车和轨道-桥梁模型分别采用刚体动力学和有限元方法建立,两子系统间通过轮轨线性Hertz接触理论实现耦合。采用地基微波雷达对吊杆两端位移进行测试,分析得到桥梁动力特性、吊杆应力时程及其冲击系数。对比地基微波雷达试验数据,验证理论模型的正确性,并基于该模型分析车速、单双线行驶和轨道不平顺对吊杆应力冲击系数的影响规律。结果表明:吊杆应力冲击系数随车速的增加而增大,当车速为300km/h时车桥共振导致吊杆应力冲击系数显著增大;德国低干扰轨道谱样本对吊杆应力冲击系数影响较小,但随着轨道平顺性的劣化,吊杆应力冲击系数显著增大。