基于扣件FVMP模型的车-轨耦合随机振动分析

针对高速铁路钢轨扣件,结合其动态力学性能试验,基于高阶分数阶导数理论建立扣件动参数频变FVMP模型,并将该模型应用于车辆-轨道随机振动模型中,采用格林函数法及虚拟激励法分析扣件动参数频变对车辆及钢轨结构振动的影响。计算结果表明:扣件的动参数对频率和温度具有明显的依赖性,而高阶分数阶导数FVMP模型能准确表征这种力学行为;扣件动参数的频变特性对车体的垂向振动无较大影响,但对频率在20~70Hz范围内的转向架随机振动有一定影响;考虑扣件动参数频变特性后轮对与钢轨振动所受影响较大,轮对加速度功率谱密度在中频段的峰值相差64.2%,钢轨加速度功率谱密度在中频段的峰值相差55.2%;扣件FVMP模型得到的轮轨随机振动频域分布向高频偏移,且中高频段内轮轨振动响应减小;忽视扣件动参数随频率变化的特性将难以准确表征轮轨中高频段内的振动响应。

考虑扣件温频变的车轨桥垂向耦合系统振动能量研究

通过对扣件进行定频变温试验,结合温频等效原理与高阶分数导数FVMP模型建立扣件的温频变动态力学模型,并在车-轨-桥耦合系统中采用新建模型模拟扣件,基于功率流法系统地分析与评价扣件温频变动态力学性能对车轨桥耦合系统振动能量分布与传递的影响。结果表明:考虑扣件动参数频变会使中高频段内的轨道结构振动能量增大,对低频段的轨道结构振动能量影响较小,且对钢轨传递给轨道板的振动能量影响较大,但对桥梁的振动能量传递影响较小;温度的降低会导致轨道结构的振动能量增大,且会增大61 Hz后中高频段内钢轨传递给轨道板的振动能量,但对桥梁的振动能量传递影响较小;扣件温频变对轨道结构振动能量的分布有较大影响,但对于轨下结构的能量传递影响较小。因此,在轨道桥梁耦合求解振动能量时必须要考虑扣件温频变特性,否则将难以精准预测轨道结构振动能量分布特性。

减振垫层温频变动力性能对无砟轨道振动特性影响

以减振垫层为研究对象,首先通过动态力学性能试验,基于高阶分数阶导数FVMP模型并结合温频等效原理,表征减振垫层的温频变特性;然后将该模型应用于车辆-CRTSIII板式无砟轨道垂向耦合系统中;最后分析了减振垫层温频变特性对轨道结构振动响应的影响.结果表明:温度和加载频率对减振垫层的动态力学性能有显著影响,高阶分数阶导数FVMP模型能准确表征这种动态力学行为.在时域响应中,轨道板位移和加速度在FVMP模型下计算的峰值明显大于Kelvin-Voigt(K-V)模型下的峰值.FVMP模型在各参考温度点下轨道板位移的响应呈现出随着温度的降低而减小的趋势,而轨道板加速度则呈现随着温度的降低而增大的趋势.在中高频段内,轨道板的响应表现为FVMP模型下的频域响应大于K-V模型下的频域响应,FVMP模型各参考温度点在该频段内轨道板的响应表现为随着温度的降低而减小的趋势.因此,为提高对轨道结构预测的准确性,有必要考虑减振垫层的温频变特性.

弹性垫层温频变特性对减振型CRTSⅢ板式无砟轨道振动响应影响研究

针对弹性垫层,首先通过其动态力学性能试验,基于高阶分数阶导数FVMP(fraction Voigt and Maxwell model in parallel)模型并结合温频等效原理,表征弹性垫层的温频变特性,然后将该模型应用于车辆-轨道垂向耦合系统中,最后分析弹性垫层温频变特性对轨道结构振动响应的影响。研究结果表明:温度和加载频率对弹性垫层的动态力学性能有显著影响,而高阶分数阶导数FVMP模型能准确表征这种力学行为;在时域响应中,垂向轮轨力、钢轨垂向位移、钢轨垂向振动加速度和轨道板垂向振动加速度在FVMP模型下计算的峰值明显比K-V(Kelvin-Voigt)模型下的峰值大;在中高频段内,轨道结构各部分的响应都表现为FVMP模型下的响应比K-V模型下的响应大,而且轨道结构各部分的响应呈现出随温度降低而减小的趋势。在进行仿真分析时,为提高对轨道结构预测的准确性,有必要考虑弹性垫层的温频变特性。

扣件胶垫频变特性对车辆-轨道-桥梁耦合振动影响

为了研究扣件胶垫频变特性对车辆、轨道和桥梁振动的影响规律,以高速铁路WJ-7型扣件胶垫为研究对象,通过其动态力学性能试验,结合温频等效原理、WLF方程与FVMP模型,预测和表征了扣件的宽频动力特性,并将FVMP模型代入建立的车辆-轨道-桥梁耦合振动时域模型中进行分析.研究结果表明:扣件动参数对频率有明显的依赖性,采用FVMP模型可以在宽频范围准确描述其动态力学性能.考虑扣件胶垫的频变特性时,从时域响应来看,轮轨力、扣件力、钢轨加速度、钢轨位移、轨道板位移和桥梁加速度明显增大,其中轮轨力和扣件力峰值分别增大9.53%和4.80%.从频域响应来看,扣件胶垫频变特性主要对结构的中高频振动产生影响,钢轨在整个中高频振动明显加剧,轨道板和桥梁在轮轨耦合系统的固有频率63 Hz附近处振动明显增大.因此,为提高预测的精度,在车辆-轨道-桥梁的振动响应求解时有必要考虑扣件胶垫的频变特性.

扣件胶垫黏弹性对铁路箱梁振动与结构噪声的影响

以高速铁路WJ-7B型扣件胶垫为研究对象,通过动态力学性能试验测试了扣件胶垫在不同温度下的动力性能;结合温频等效原理、Williams-Landel-Ferry方程和高阶分数导数FVMP模型表征了扣件胶垫的黏弹性力学特性;将该模型代入建立的桥梁振动与结构噪声预测有限元-边界元模型,并与Kelvin-Vogit模型对比来分析扣件胶垫黏弹性对箱梁振动和结构噪声的影响。研究结果表明:扣件胶垫黏弹性表现为动参数的温频变特性,刚度与频率正相关,与温度负相关,阻尼与频率和温度均负相关,阻尼在1~100 Hz内变化明显,在100 Hz以上变化较小;扣件动参数测试值与高阶分数导数FVMP模型拟合值吻合良好,采用高阶分数导数FVMP模型可以准确描述扣件在宽温宽频下的动态黏弹性力学行为;仅考虑扣件胶垫频变特性时,桥梁在25~63 Hz振动加剧,在80~200 Hz振动减弱,在峰值频率63 Hz处顶板、腹板和底板的加速度振级分别增大5.62、0.91和2.94 dB,桥梁横桥向各板垂向近场点和梁底下方靠近地面处声辐射明显增大;同时考虑扣件胶垫温变与频变特性时,随着温度的降低,桥梁在31.5~50.0 Hz振动不断减小,在63~200 Hz振动不断增大,桥梁横桥向在顶板斜上方、腹板和底板垂向近场点和梁底下方靠近地面处声辐射减小,温度从20℃降到-20℃时,总体声压级最大降低了2 dB左右;忽略扣件胶垫黏弹性会导致桥梁振动和结构噪声预测产生偏差,仿真分析时应考虑扣件胶垫的黏弹性,以提高预测的准确性。