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铁路路基动力响应的2.5D有限元方法研究现状及展望
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作者 王瑞 胡志平 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期284-301,共18页
作为一种频域计算方法,2.5D有限元具备计算效率高、内存占用小等优势,同时也存在诸多局限。经过20余年的发展,2.5D有限元方法已经具备了描述复杂土体本构关系和复杂路基几何特征条件下铁路路基动力响应的能力。荷载输入方法、建模策略... 作为一种频域计算方法,2.5D有限元具备计算效率高、内存占用小等优势,同时也存在诸多局限。经过20余年的发展,2.5D有限元方法已经具备了描述复杂土体本构关系和复杂路基几何特征条件下铁路路基动力响应的能力。荷载输入方法、建模策略和波动吸收边界的持续优化使得2.5D有限元方法的精度不断提高,二维插值方法则为进一步提升计算效率提供了思路。目前,2.5D有限元已经成为铁路路基动力响应研究中的常用方法。为了理清铁路路基动力响应2.5D有限元方法的发展脉络,分别从荷载输入、路基系统、响应输出和计算精度及效率的提升方面总结了其发展现状,介绍了2.5D有限元在发展过程中遇到的瓶颈问题及解决对策。在此基础上,针对算法的精度和效率、研究的对象和内容进行了进一步的讨论和展望。 展开更多
关键词 2.5d有限元方法 铁路路基 动力响应 建模 吸收边界 二维插值
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基于二维降阶Hermite插值的铁路路基动力响应2.5D有限元模拟 被引量:4
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作者 王瑞 胡志平 +1 位作者 彭建兵 王启耀 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期908-915,共8页
2.5D有限元方法在铁路路基动力响应研究领域中的应用渐趋广泛。针对其在求解随机不平顺条件下路基动力响应时计算效率显著下降的问题,构建了基于二维降阶Hermite插值的2.5D有限元路基动力响应快速计算框架。以路基在频率-波数域动力响... 2.5D有限元方法在铁路路基动力响应研究领域中的应用渐趋广泛。针对其在求解随机不平顺条件下路基动力响应时计算效率显著下降的问题,构建了基于二维降阶Hermite插值的2.5D有限元路基动力响应快速计算框架。以路基在频率-波数域动力响应的基本特征为依据确定了插值原则,讨论了插值点分布和数量对插值精度的影响。研究表明:采用二维降阶Hermite插值方法可以实现随机不平顺条件下路基动力响应的快速计算。相比插值点非均匀分布,插值点均匀分布可以兼顾幅值和相位的插值精度,适应性更好。此外,该方法的计算效率仅与插值点数量相关,不受随机不平顺谐波数量的影响,在模拟随机不平顺条件下路基动力响应方面具备显著的优势。 展开更多
关键词 2.5d有限元 铁路路基 响应函数 计算效率 二维插值
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2.5D有限元建模关键问题——边界条件、网格划分及计算域选取 被引量:16
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作者 王瑞 胡志平 +2 位作者 任翔 李芳涛 温馨 《振动工程学报》 EI CSCD 北大核心 2021年第1期80-88,共9页
为了提高2.5D有限元数值计算的求解精度及建模效率,分析了移动荷载作用下地基系统的动力响应特点,确定了计算域选取及网格划分的基本规则,评价了地基分层对波场的影响及边界的波动吸收效果,提出了可以规避边界影响的建模思路。分析结果... 为了提高2.5D有限元数值计算的求解精度及建模效率,分析了移动荷载作用下地基系统的动力响应特点,确定了计算域选取及网格划分的基本规则,评价了地基分层对波场的影响及边界的波动吸收效果,提出了可以规避边界影响的建模思路。分析结果表明:当计算域尺寸满足低频振动要求(约60 m)时,反射波对计算结果的影响可以忽略;建模时可以采用辐射状网格划分,最小网格尺寸需满足高频振动要求(约0.5-1.0 m)。荷载运行速度小于地基瑞利波速时没有波动传播现象,建议直接采用固定边界;荷载运行速度大于地基瑞利波速时可以通过切取局部计算域的方式规避反射波的影响,此时计算域半宽和纵向空间范围的选取需要遵循与马赫锥锥角和列车全长相关的几何关系。荷载影响深度内的地基分层会扰乱地基波场,当地基上覆软弱土层或软弱夹层时,波动会在软土层聚集并在加载点后形成多个马赫锥。 展开更多
关键词 分层地基 建模 2.5d有限元 网格划分 吸收边界
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高速铁路填充沟隔振效果的2.5D有限元分析 被引量:9
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作者 李丹阳 高盟 +1 位作者 宋永山 张致松 《地震工程与工程振动》 CSCD 北大核心 2021年第2期228-240,共13页
高铁运行产生的振动对周边环境的影响不容忽视,空沟填充沟是高速铁路有效的屏障隔振方式之一。文中以饱和土2.5D有限元理论为基础,考虑轨道和路基的动力相互作用,建立轨道-路基-填充沟数值计算模型,编制FORTRAN计算程序,分析列车在低速... 高铁运行产生的振动对周边环境的影响不容忽视,空沟填充沟是高速铁路有效的屏障隔振方式之一。文中以饱和土2.5D有限元理论为基础,考虑轨道和路基的动力相互作用,建立轨道-路基-填充沟数值计算模型,编制FORTRAN计算程序,分析列车在低速和高速运行条件下填充沟的隔振性能及设计参数对隔振效果的影响。计算表明:填充沟对沟后区域隔振效果较好,且高速列车的隔振效果优于低速列车;隔振后振动频段范围变化不大,但原频段振动竖向加速度幅值有较明显衰减;隔振后加速度振级下降约20 dB,加速度衰减系数衰减至隔振前的0.1倍;填充沟的弹性模量、埋深以及埋置位置对隔振效果均有较大影响。 展开更多
关键词 2.5d有限元 填充沟 振动隔振 加速度振级 加速度衰减系数
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轨道不平顺条件下列车运行引起的饱和地基振动响应
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作者 高盟 刘森 李丹阳 《地震工程与工程振动》 CSCD 北大核心 2024年第2期160-168,共9页
为研究轨道不平顺条件下列车运行引起的饱和地基振动响应,进一步完善饱和地基的振动传播和衰减规律,将轨道不平顺引入饱和地基2.5D有限元,通过Fourier变换得到频域-波数域表达式,对比分析准静态荷载与不平顺条件下高铁列车运行对饱和地... 为研究轨道不平顺条件下列车运行引起的饱和地基振动响应,进一步完善饱和地基的振动传播和衰减规律,将轨道不平顺引入饱和地基2.5D有限元,通过Fourier变换得到频域-波数域表达式,对比分析准静态荷载与不平顺条件下高铁列车运行对饱和地基加速度、位移和孔隙水压力的影响规律。研究结果表明:列车速度较低时,2种条件下列车引起的饱和地基振动相差不大,随着列车速度提高,轨道不平顺使饱和地基的加速度幅值和位移幅值显著增大,且在时程曲线规律上呈现更强的波动性;轨道不平顺对轨道中心加速度频谱影响较小,列车在低速和高速运行时,2种荷载的频谱规律均基本一致,主频分布也基本相同,轨道不平顺条件下仅各频段加速度大小略有增加;轨道不平顺会大幅增加高速列车运行引起的饱和地基孔隙水压力,且随着深度增加孔压迅速衰减。 展开更多
关键词 轨道不平顺 移动荷载 饱和地基 2.5d有限元 高速铁路
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列车运行引发的黄土地区高速铁路路堑动力响应规律 被引量:2
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作者 殷珂 王瑞 +2 位作者 胡志平 王雷 蒋臻蔚 《铁道标准设计》 北大核心 2023年第9期42-48,共7页
为研究列车运行状态下黄土地区路堑段路基动力响应规律,采用2.5D有限元方法对比分析了有砟轨道和无砟轨道条件下轨道位移、环境振动强度和路基动应力分布随荷载移动速度的变化规律,讨论了抗滑桩对环境振动衰减的影响。结果表明,抗滑桩... 为研究列车运行状态下黄土地区路堑段路基动力响应规律,采用2.5D有限元方法对比分析了有砟轨道和无砟轨道条件下轨道位移、环境振动强度和路基动应力分布随荷载移动速度的变化规律,讨论了抗滑桩对环境振动衰减的影响。结果表明,抗滑桩改变了路基岩土介质质量和刚度分布的连续性,可有效减弱环境振动强度。无波动传播现象时,路堑不同深度处振动强度分布类似,且路基附加动应力受车速影响较小;波动传播现象出现后,随着深度的增加,路堑振动强度逐渐减小,随着车速的提高,路基附加动应力迅速增大。有砟轨道条件下的系统响应受车速影响更显著。在所涉及的黄土场地条件下,现行高铁运行速度一般不超过2种轨道结构的临界速度且不会产生波动传播现象。 展开更多
关键词 高速铁路 路堑 边坡抗滑桩 动力响应 2.5d有限元
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矩形管波阻板对饱和地基中列车振动的隔振性能研究 被引量:3
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作者 王滢 赵彩清 +1 位作者 高盟 李丹阳 《地震工程与工程振动》 CSCD 北大核心 2023年第1期229-238,共10页
高铁列车运行产生的环境振动对人体健康、沿线建筑物安全、精密设备正常使用等产生不可忽视的影响。提出一种“矩形管波阻板”新型隔振屏障,用于减少环境振动污染。根据饱和地基2.5D有限元理论,建立轨道-地基-屏障-建筑结构模型,计算分... 高铁列车运行产生的环境振动对人体健康、沿线建筑物安全、精密设备正常使用等产生不可忽视的影响。提出一种“矩形管波阻板”新型隔振屏障,用于减少环境振动污染。根据饱和地基2.5D有限元理论,建立轨道-地基-屏障-建筑结构模型,计算分析空沟、填充沟和矩形管波阻板3种不同屏障的隔振效果。计算表明:列车速度较低时,空沟隔振效应并不显著,而当列车运行速度较高时,空沟有一定的隔振效应,可在沟前出现震荡放大的现象。而填充沟和矩形管波阻板不论列车运行速度高低都有较好的隔振作用,但列车在高速运行时的隔振效应超过了低速性能运行时的隔振效应。填充沟和矩形管波阻板2种屏障隔振效果相近,但矩形管波阻板可减少混凝土用量,降低成本,隔振效率更高。 展开更多
关键词 饱和地基 2.5d有限元 矩形管波阻板 邻近建筑 振动控制
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高铁荷载下横观各向同性CFG桩桩土复合路基减振特性研究 被引量:2
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作者 毕俊伟 高广运 耿建龙 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2023年第4期116-125,共10页
基于2.5D有限元法基本原理,推导横观各向同性地基2.5D有限元控制方程,利用等代桩墙对水泥粉煤灰碎石(cement fly-ash gravel, CFG)桩桩土复合路基进行简化,建立高铁荷载下横观各向同性CFG桩桩土复合路基2.5D有限元分析模型。考虑不同车... 基于2.5D有限元法基本原理,推导横观各向同性地基2.5D有限元控制方程,利用等代桩墙对水泥粉煤灰碎石(cement fly-ash gravel, CFG)桩桩土复合路基进行简化,建立高铁荷载下横观各向同性CFG桩桩土复合路基2.5D有限元分析模型。考虑不同车速,分析横观各向同性地基土体刚度比n对高铁荷载下地面振动的影响,研究CFG桩桩土复合路基的减振机理,探讨桩径、桩间距、面积置换率m对其减振特性的影响。结果表明:高铁荷载下地面振动随横观各向同性地基土体刚度比n的提高而减小;CFG桩能更多地将高铁运行引起的动荷载沿深度方向传导至复合路基深处,从而显著减小地面振动,且减振效果随与轨道中心距离逐渐增强;CFG桩桩土复合路基的减振效果随桩径增大或桩间距减小而增强,当桩径大于等于0.5 m或桩间距小于等于4倍桩径时,进一步增大桩径或缩短桩间距难以显著提高减振效果;振动衰减系数FVR随CFG桩桩土复合路基面积置换率m的增大而减小,当面积置换率m≥0.06时,继续增大面积置换率m对减振效果的影响较小。 展开更多
关键词 高速铁路 地面振动 横观各向同性地基 水泥粉煤灰碎石(CFG)桩桩土复合路基 减振特性 2.5d有限元
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黄土地区某铁路专用线路基动力响应规律 被引量:2
9
作者 王瑞 胡志平 +2 位作者 殷珂 马甲宽 任翔 《上海交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第7期908-918,共11页
为了研究移动列车荷载下黄土地区某铁路专用线动力响应规律,结合现场测试数据及2.5D有限元计算结果评估了新建货运线路和临近既有线列车运行情况下路基动应力分布规律及影响深度,讨论了沿线办公区环境振动规律.结果表明,轨道系统的过度... 为了研究移动列车荷载下黄土地区某铁路专用线动力响应规律,结合现场测试数据及2.5D有限元计算结果评估了新建货运线路和临近既有线列车运行情况下路基动应力分布规律及影响深度,讨论了沿线办公区环境振动规律.结果表明,轨道系统的过度抽象会导致路基内部动应力幅值和影响范围偏大,道砟-枕木-紧固件系统的实体化建模使得路基内部动应力分布更为合理.路基处于拟静力状态时动力蠕变引发的能量消耗对路基动力响应的影响可以忽略.货运列车低速运行时,车速对路堤内部动应力分布影响微弱,动应力影响深度约为4.2 m.此外,车速越低,轨道不平顺对场地环境振动的影响越明显.改善轨道短波不平顺是控制环境振动的有效措施. 展开更多
关键词 交通荷载 现场测试 2.5d有限元 影响深度 环境振动 不平顺
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交通荷载作用下公路路面结构振动分析 被引量:1
10
作者 程伟 崔航 曾二贤 《土工基础》 2011年第2期38-43,50,共7页
为了研究路面结构的振动特性,基于2.5D有限单元方法建立了高速公路路面结构和下卧层地基在交通荷载作用下的三维耦合振动模型。通过计算分析了路面振动加速度的变化规律和路面结构的面层、基层和底基层中的应力分布,考虑了车辆运行速度... 为了研究路面结构的振动特性,基于2.5D有限单元方法建立了高速公路路面结构和下卧层地基在交通荷载作用下的三维耦合振动模型。通过计算分析了路面振动加速度的变化规律和路面结构的面层、基层和底基层中的应力分布,考虑了车辆运行速度、荷载振动频率、路面分层结构形式、路面材料和下卧层地基模量等因素的影响。结果表明:车辆运行速度和荷载振动频率对路面结构的振动响应有着显著影响;同时随着路面材料刚度的提高,路面结构振动会降低,在实际工程中可通过选用合适刚度的路面材料以获得路面性能的较大改善。 展开更多
关键词 交通荷载 高速公路 路面结构 2.5d有限元 路面振动
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A 2.5D finite element approach for predicting ground vibrations generated by vertical track irregularities 被引量:11
11
作者 Xue-cheng BIAN Chang CHAO +1 位作者 Wan-feng JIN Yun-min CHEN 《Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering)》 SCIE EI CAS CSCD 2011年第12期885-894,共10页
Dynamic responses of track structure and wave propagation in nearby ground vibration become significant when train operates on high speeds. A train-track-ground dynamic interaction analysis model based on the 2.5D fin... Dynamic responses of track structure and wave propagation in nearby ground vibration become significant when train operates on high speeds. A train-track-ground dynamic interaction analysis model based on the 2.5D finite element method is developed for the prediction of ground vibrations due to vertical track irregularities. The one-quarter car mode,1 is used to represent the train as lumped masses connected by springs. The embankment and the underlying ground are modeled by the 2.5D finite element approach to improve the computation efficiency. The Fourier transform is applied in the direction of train's movement to express the wave motion with a wave-number. The one-quarter car model is coupled into the global stiffness matrix describing the track-ground dynamic system with the displacement compatibility condition at the wheel-rail interface, including the irregularities on the track surface. Dynamic responses of the track and ground due to train's moving loads are obtained in the wave-number domain by solving the governing equation, using a conventional finite element procedure. The amplitude and wavelength are identified as two major parameters describing track irregularities. The irregularity amplitude has a direct impact on the vertical response for low-speed trains, both for short wavelength and long wavelength irregularities. Track irregularity with shorter wavelength can generate stronger track vibration both for low-speed and high-speed cases. For low-speed case, vibrations induced by track irregularities dominate far field responses. For high-speed case, the wavelength of track irregularities has very little effect on ground vibration at distances far from track center, and train's wheel axle weights becomes dominant. 展开更多
关键词 High-speed railway 2.5d finite element method One-quarter car model Ground vibration Track irregularities
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静强度/耐久性初步结构优化设计方法 被引量:3
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作者 常楠 徐荣欣 +2 位作者 陈先民 杨军 李毅 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第5期342-352,共11页
由于有限元模型精度的限制,在以往初步结构设计中难于开展耐久性分析,这样会在结构设计中埋下疲劳寿命不足的问题,增加结构细节设计的难度,甚至引发结构超重问题。针对这一问题,在飞机结构的变精度模型技术和细节疲劳额定值方法的基础上... 由于有限元模型精度的限制,在以往初步结构设计中难于开展耐久性分析,这样会在结构设计中埋下疲劳寿命不足的问题,增加结构细节设计的难度,甚至引发结构超重问题。针对这一问题,在飞机结构的变精度模型技术和细节疲劳额定值方法的基础上,提出了静强度与耐久性综合约束下的初步结构设计方法,将耐久性设计分析工作从详细结构设计后期提前到初步结构设计阶段,并以某一折叠机翼为研究对象,在其结构选型与布置中就对关键结构(内外翼连接耳片)中的应力进行控制,通过多工况优化设计保证了连接耳片的疲劳裕度大于零,这样可以有效地减少详细结构设计中由于疲劳寿命不足而引起的多次迭代设计,并有助于获得更轻量化的结构设计。 展开更多
关键词 变精度模型 2.5d结构有限元模型 初步结构设计 静强度 耐久性 优化设计 折叠机翼
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