悬挂式单轨车桥耦合动力分析

为研究悬挂式单轨运营过程中桥梁和车辆的动力响应变化规律,以某悬挂式单轨双线7跨30m简支梁方案为工程背景,运用通用有限元软件ANSYS建立桥梁有限元模型,分析桥梁的动力特性;然后在多体动力学软件SIMPACK中建立车桥耦合动力学模型,研究双线列车以运营速度对开通过桥梁时桥梁和车辆的动力响应,并分析轮胎刚度和列车编组对桥梁和列车动力性能的影响。分析结果表明:双线列车以65km/h的速度对开通过桥梁时,桥梁跨中的整体横向位移响应最大值为19.03mm,表明桥墩横向刚度较小;轮胎刚度对车桥系统的加速度响应有显著影响;3辆车编组过桥时,桥梁的竖向和横向响应值明显比1辆车编组大,因此,在车桥耦合动力仿真分析时,必须考虑列车编组对车桥系统动力响应的影响。     

悬挂式单轨列车通过曲线段的动力性能

基于多体动力学理论和模态叠加法建立了悬挂式单轨交通系统车桥耦合动力学模型,分析了轨道梁布置方式、曲线半径和跨度对车桥动力响应的影响。分析结果表明:列车通过单线桥曲线段时,不同轨道梁布置方式对车桥动力响应影响显著,单线桥曲线段轨道梁布置在曲线内侧可同时降低车辆和桥梁结构的横向位移;轨道梁跨中横向位移随跨度和曲线半径增大而增大,导向轮径向力可抑制轨道梁因受车辆重力作用产生的横向变形;为减小车辆与桥梁结构的横向位移,悬挂式单轨交通系统小半径曲线段桥梁跨度宜为15 m。     

大跨度公轨两用钢桁梁斜拉桥车桥耦合效应及影响参数研究

"抱轨"行驶是跨座式单轨交通的一个显著特点.针对单轨列车与双层桥面钢桁梁斜拉桥的车桥耦合动力性能,以主跨468 m牛田洋大桥为工程背景,基于ANSYS及SIMPACK等软件建立车桥空间耦合动力模型开展联合仿真,研究不同行车速度、不同列车特性下的车、桥动力响应,并对行车安全性等进行了评估.研究结果表明:列车在通过桥梁时的竖向动力效应较弱,位移冲击系数约在1.1以内,且桥梁竖、横向位移响应均与车速无显著联系;竖向位移随过桥车辆数目的增加而增大,横向位移在单线行车时明显大于双线对开工况;桥梁与车体振动加速度均随车速递增,且车体横向振动程度大于竖向;跨座式单轨列车在列车正常行驶速度100 km/h以内通过该大跨度斜拉桥时,桥梁的动力性能优良,桥上列车具备良好的乘坐舒适性.     

悬挂胶轮列车与钢桥的振动试验及仿真研究

为评价悬挂胶轮列车及钢轨道梁桥的结构性能,以开封悬挂式单轨示范线为背景开展现场试验与仿真研究。开发了胶轮列车-钢轨道梁桥耦合振动分析程序,根据现场实测的胶轮车辆的空气弹簧、走行轮刚度和阻尼等力学参数,建立胶轮列车模型。对车桥动力响应的现场试验与动力仿真分析结果进行综合比较,采用相关规范对列车走行性以及轨道梁桥的动力性能进行综合评估。结果表明：车桥动力特性及其振动响应的理论与实测结果基本吻合,车桥耦合分析方法可应用于悬挂式胶轮单轨交通系统振动性能研究;轨道梁竖向挠跨比小于相关规范的限值,竖向刚度设计合理;在列车竖向静活载作用下,相邻两跨轨道梁梁端竖、横向转角之和最大值分别为 4.5‰和 1.5‰;车速 80 km/h 下轨道梁纵、横向应力动力系数最大值分别为 1.17 和 1.14;考虑到悬挂式胶轮列车没有脱轨风险,列车轮重减载率及钢轨道梁桥横向加速度较传统铁路偏大,其相应限值可较现行铁路规范适当放松。     

风力作用下悬挂式单轨车辆-桥梁 系统耦合振动仿真研究

悬挂式单轨交通系统主梁通常为下开口钢箱梁,结构刚度小,车辆在风力作用下易发生横向摆动,从而 影响结构安全性和乘车舒适性。以某旅游专线项目 30 m 跨度简支段为工程背景,进行不同风速和不同车速下的 动力响应仿真分析。采用有限元软件建立桥梁模型,采用多体系动力学软件建立车辆和轨道模型,将车辆、轨道 系统和桥梁系统作为一个完整的系统进行联合仿真计算。采用 CFD 软件计算桥梁和列车的静力三分力系数和风 荷载,并将静风力叠加到模型中形成风-车-桥耦合振动模型。计算结果表明,桥梁的横向动位移和竖向动位移随 风速的增大而增大,横向位移变化更加明显,但随车速的增大,动位移变化不明显;车辆的平稳性随风速和车速 增大而逐渐降低,车辆的横向平稳性对平均风更加敏感;所有工况中,车辆的竖向和横向 Sperling 系数最大值分 别为 2.49 和 2.62,表明运行车辆具有良好的平稳性。基于通用有限元软件和多体动力学软件进行风车桥耦合动力 分析的联合仿真方法是可靠高效的;研究成果可为悬挂式单轨交通系统的抗风设计与应用提供参考。     

跨座式单轨车桥时频分布特征与桥梁频率间接识别研究

基于多体动力学与小波时频分析理论建立跨座式单轨的车桥动力响应时频分析体系,并通过缩尺模型试验对该系统准确性进行验证,从而研究跨座式单轨车桥的时频谱分布特征与桥梁频率间接识别方法。研究表明：(1)建立的车桥数值模型具有较好的准确性,能够很好地模拟实际情况;(2)小波分析对桥梁横向、竖向低阶频率识别效果显著,尤其对横、竖向基频识别准确率很高;(3)低车速下横向频率辨识良好,高车速下竖向频率识别更显著,而不平顺主要影响竖向频率。研究结果表明,通过对车辆加速度进行低通滤波分析,可间接获取桥梁的基频信息,这些结果证明了多体动力学与小波时频分析的有效性,能够用于跨座式单轨车桥的动力响应分析;此外,对桥梁频率间接识别的研究,有助于工程实践中更好理解跨座式单轨车桥的性能和安全性。     

侧风下高铁列车交会运行时车—桥耦合振动

采用流体力学计算软件FLUENT和动网格技术建立侧风下2列3节列车交会的气动力计算模型,通过自编UDF程序实现列车交会运动,分析列车交会过程中的气动力。根据列车中间车厢气动力的相似性扩展得到2列8节列车交会的气动力时程,将列车真实非定常的气动力以力元的方式加载到由有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK联合建立的高速列车—多跨简支梁三维动力分析模型中,进行侧风下高速列车交会运行时车—桥耦合振动研究。结果表明:列车交会气动力对列车轮轴横向力、脱轨系数以及竖向加速度的影响较小,但会增大列车的轮重减载率,并显著增大列车的横向加速度;侧风显著增大列车的轮重减载率、轮轴横向力和脱轨系数;列车轮重减载率是控制列车车速阈值的控制因素;列车交会气动力对列车运行安全性的影响不应忽视,在[0,15),[15,20)和[20,25) m·s~(-1)风速的侧风下,列车车速阈值分别为350,275和200 km·h~(-1)。     

横风环境下跨海大桥列车-桥梁系统耦合振动仿真研究

基于计算流体力学及弹性体在多体系统中的耦合理论,将计算流体力学、多体系统动力学及有限元结合起来,构建横风环境中列车-桥梁系统耦合振动的仿真平台,并以平潭海峡大小练岛水道斜拉桥为研究对象开展研究。列车-桥梁系统的气动模型构建采用局部动态层网格方法,计算列车-桥梁系统在不同风速和车速下的气动荷载。基于有限元方法和多体系统动力学方法建立列车-桥梁系统多体动力学模型,以时间激励方式施加气动荷载,仿真计算双线会车时不同风速和车速工况下列车-桥梁耦合系统的动力响应。研究结果表明:(1)随着风速的增大,桥梁主跨跨中竖向位移变化很小,而跨中横向位移显著增大,跨中竖向和横向振动加速度亦明显增大。风速和车速分别在30 m/s与300 km/h以内时,桥梁的挠度和振动加速度均能满足要求。(2)横风环境下列车在桥梁上运行时,头车的动力特性最为不利。随着风速和车速的增大,车辆的动力学指标均呈增大趋势。(3)列车行至桥梁跨中时轮重减载率出现最大值,两车交会时车体横向加速度发生突变且出现最大值,部分动力学指标不满足要求。(4)双线会车时,风速在10、20、30 m/s时的临界安全车速分别为296、256、147 km/h,临界舒适车速分别为166、150、106 km/h。     

侧向风作用下桥上列车交会过程的空气动力特性

以CRH3型高速列车为研究对象,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟方法和动网格技术,通过局部动态层变法实现对侧向风作用下桥上列车交会过程的动态模拟,研究侧向风作用下桥上列车交会过程的空气动力特性。结果表明:无侧风情况下桥上列车交会时所产生的交会压力波是导致列车气动力波动的主要原因;在侧向风的作用下车-桥耦合系统的空气动力特性表现出明显的三维时空特性;与无侧向风作用相比,在侧向风的作用下,两交会列车车体表面的整体压力分布已不再具有对称性,其中迎风侧列车所受风荷载较背风侧列车的大;在列车交会过程中,由于迎风侧列车对侧向风的遮挡效应,使得背风侧列车的风荷载突变更加剧烈,这对背风侧列车过桥的安全性和舒适性更为不利;随着列车运行速度的提高,列车的侧向力系数、倾覆力矩系数逐渐增大,而且其气动力系数在列车交会瞬间的突变更加剧烈。     

400 km/h高速铁路典型路基段风致行车安全研究

以某设计速度400 km/h的高速铁路4种典型路基段结构为研究对象,采用风车路耦合动力分析方法,运用ANSYS和多体动力学软件SIMPACK分别建立路基和列车模型,分析CRH380动车组在环境风速20～40m/s区间工况,以速度400 km/h通过时车辆的动力响应。根据评价准则提出风致行车安全控制指标。结果表明：车体横向加速度反映列车横风稳定性,可以作为风致行车安全的控制指标;脱轨系数随着风速增大而增大,在风速不超过40 m/s条件下,均未达到上限值0.8;4#路基段可以承受的环境风速最大,风致行车安全的效果最好;背风侧的车辆响应指标均明显好于迎风侧,对于横风影响下的动力仿真分析,应将迎风侧作为主要研究对象。     

横向紊流风作用下桁架梁上列车气动特性的试验研究

在风洞试验室建立2种大气紊流场,并以某钢桁梁和1列高速列车为例建立1∶29.7的车桥节段模型,进行横向紊流风作用下桁架梁上列车气动特性的试验。采用同步测压法得到静止列车上的气动力分布,研究列车在不同位置、不同风攻角以及不同紊流场下的侧向力系数和气动导纳函数。结果表明:两车交汇时位于迎风侧列车的侧向力系数最大,列车单车位于背风侧时的侧向力系数相对最小,在-3°风攻角时的列车侧向力系数比+3°风攻角时大,紊流场对列车的侧向力系数有一定的影响,高紊流场中的列车侧向力系数相对更大;列车位于迎风侧(单车迎风侧和双车迎风侧)时,其侧向力气动导纳相对较小,而升力气动导纳相对较大;当折减频率小于0.1时,列车侧向力气动导纳在+3°风攻角时最大,升力气动导纳在-3°风攻角时最大;紊流积分尺度越大,列车气动导纳相对越大。在对试验影响因素总结的基础上,提出列车侧向力和升力的气动导纳函数拟合公式。     

悬挂式单轨车辆的倒T形辙叉道岔通过性能

[目的]悬挂式单轨交通系统具有良好的发展前景,对于其车辆过道岔的动力学性能研究目前较少,需对此进行研究。[方法]采用UM(多体动力学)软件建立车辆动力学模型,以车体最大振动加速度、走行轮最大垂向力、导向轮及稳定轮最大垂向力、车体及悬吊梁最大侧滚角为主要评价指标,针对应用于悬挂式单轨交通系统的倒T形辙叉道岔,进行悬挂式单轨车辆道岔通过性能研究。[结果及结论]倒T形辙叉道岔结构的导向轨面不平顺较大,悬挂式单轨车辆在通过曲线道岔时,很难保证导向轮的导向力不超过安全限值。针对此问题提出了一种导向轨面补偿装置。应用此导向轨面补偿装置后,悬挂式单轨车辆可以以15 km/h的速度安全通过半径为50 m的倒T形辙叉道岔,动力学性能有明显改善。     

基于舒适度的悬挂式单轨平面曲线参数研究

悬挂式单轨车辆在曲线运动中自主倾斜。舒适度是影响悬挂式单轨线路平面参数的主要因素,研究基于舒适度的平曲线参数合理取值具有重要意义。分析悬挂式单轨车辆力学特性,选取横向倾斜角、未被平衡横向加速度作为圆曲线段舒适度指标,选取横向加速度时变率、横向倾斜角速度、未被平衡横向加速度时变率作为缓和曲线段舒适度指标。构建舒适度指标与平曲线参数间的关系模型。基于不同舒适度要求、速度、最大倾斜角计算确定线路平面最小曲线半径、缓和曲线长度。当最大倾斜角6°、最大未被平衡横向加速度0.5 m/s~2、速度80 km/h时,平面曲线最小半径应不小于325 m。当半径较小时,缓和曲线长度主要取决于横向倾斜角速度、未被平衡横向加速度时变率。     

轨道不平顺对悬挂式货运单轨车辆动力行为影响分析

建立了悬挂式货运单轨车辆60自由度动力学模型。使用模态方法研究了悬挂式货运单轨车辆的主要振动频率和相应的敏感波长,使用非线性积分方法计算了悬挂式货运单轨车辆在轨道不平顺作用下的动态响应。结果显示:在车速15～30km/h范围内,悬挂式货运单轨车辆横向振动主要受波长在13.44～26.88m范围内的不平顺的影响,垂向振动主要受1.46～3.36m范围内的短波不平顺影响。轮轨导向力随横向不平顺幅值的增大而线性增大,然增幅不明显。车体垂向加速度和轮轨垂向力随垂向不平顺幅值的增大而线性增大,其中短波不平顺的影响最明显,短波不平顺幅值从1mm增加到4mm,车体垂向加速度幅值从0.58m/s2增加到2.1m/s2,在工程实际中,应重点对走行面上的短波不平顺进行监测和控制。     

跨座式单轨车辆-轨道梁耦合振动的计算分析

研究目的:为评定跨座式单轨交通的行车平稳与乘坐舒适性能,对车辆与轨道梁的动力相互作用进行研究,建立跨座式单轨系统空间耦合振动模型并编制程序进行仿真分析,计算评价标准形式PC轨道梁的动力特性,探讨不同车速、载客状态对系统动力响应的影响水平。研究结论:(1)轨道梁跨中竖向挠度和横向位移与车速的关系不明显,跨中横、竖向加速度和墩顶横向振幅、加速度随车速的提高而增大,载客量的增加会增大轨道梁跨中竖向挠度;(2)车体横、竖向加速度均随车速的提高而增大,随载客量的增加而有所降低;(3)轨道梁动力性能良好,在设计车速与载客量条件下,单轨车辆可平稳舒适地通过轨道梁桥;(4)本研究成果可为跨座式单轨交通系统的结构设计与运输管理提供参考。     

南京大胜关长江大桥地铁列车运行气动性能研究

以南京大胜关长江大桥地铁搭载段为研究背景，通过风洞试验，探究不同风攻角、列车位置及附属设施状态下地铁列车气动力系数变化规律，进而揭示地铁列车气动特性对列车运行稳定性影响的规律。研究结果表明：风攻角对双线在轨列车稳定性影响更大；当桥梁无附属设施，风攻角的增大不利于迎风侧列车稳定性，双线在轨列车比单线在轨列车更稳定；当桥梁有附属设施，且列车位于边跨时，风攻角越大迎风侧列车越稳定，而背风侧列车则相反，当列车在中跨运行时，列车侧向力及侧向倾覆力矩系数大于边跨，而升力系数小于边跨，表明桥梁桁架改善了列车的抗倾覆性能；桥上增加附属设施后，列车的侧向力及侧向倾覆力矩系数降低，表明附属设施有一定的格挡作用。     

悬挂参数对悬挂式单轨车横向稳定性影响分析

研究目的:为分析悬挂式单轨车辆通过曲线时的横向稳定性问题,基于国内某型悬挂式单轨系统,采用多体动力学软件Universal Mechanism建立60自由度的车-线系统动力学模型,以车体和摇枕为主要研究对象,探索车辆横向偏角在不同减振装置参数下的变化特性。研究结论:(1)横/垂向减振器阻尼、空气弹簧水平/垂向阻尼参数的变化对悬挂式单轨车体和摇枕的横向晃动几乎没有抑制作用;(2)降低空气弹簧水平刚度有利于减缓车辆的横向晃动,而减小垂向刚度会进一步增大晃动的可能性;(3)若考虑在摇摆减振器处并联钢弹簧,其刚度的增加有利于减小车体和摇枕的最大横向偏角,而摇摆减振器阻尼的增大则侧重于减少车体和摇枕的振动周期数,因此应综合考虑摇摆减振器阻尼、刚度参数设计,以有效提升旅客舒适度体验;(4)本研究成果可为悬挂式单轨车辆悬挂参数优化及线路设计提供一定的参考。     

列车交会时高架轨道箱梁结构振动特性分析

研究目的:针对列车交会运行时高架轨道箱梁结构的振动问题，基于车桥耦合动力学理论，建立多种列车交会工况下的车桥耦合联合仿真模型，从时域和频域的角度分析列车交会运行时箱梁结构振动传递规律，以期为高架轨道箱梁结构振动噪声控制提供理论依据。研究结论:(1)列车双线等速交会时，箱梁结构跨中截面的位移响应大于列车双线不等速交会时的位移响应，其中在箱梁顶板和底板位置，等速交会时的振动位移响应约为列车单向运行时的2倍，不等速交会时的振动位移响应约为列车单向运行时的1.66～1.72倍；(2)列车双线等速交会与单向运行时的箱梁局部振动频率基本相同，但等速交会时的加速度响应幅值约为单向运行时的2倍；(3)列车通过时，翼缘板处振动位移最大，腹板次之，底板最小；(4)本研究成果可为高架轨道箱梁结构减振设计提供理论依据。     

简支铁路桥梁加固前后共振响应分析

研究目的:由于加固前后铁路简支桥梁自振频率发生变化,车桥系统发生共振时对应的列车速度发生改变,因此需要分析加固前后桥梁的共振响应是否满足要求。本文介绍车桥系统发生共振的原理,研究影响车桥系统共振响应的因素,采用ANSYS软件和多体动力学软件UM(Universal Mechanism)分析加固前后桥梁仿真模型的车桥耦合动力性能。研究结论:(1)对于小跨径直线桥梁,加固前后桥梁发生共振时对应的列车速度发生明显改变;(2)通过桥梁加固,其发生竖向共振时列车速度已经超出高速列车的速度范围;(3)列车第二共振速度时桥梁的竖向振幅和加速度远小于列车处于第一共振速度时,故可以不考虑;(4)对桥梁进行加固,能够明显减小共振时桥梁竖向及横向的跨中振幅和跨中加速度;(5)本研究成果可为简支铁路桥梁的共振控制提供借鉴。     

风雨联合作用下南京大胜关长江大桥地铁列车运营安全研究

为降低风雨联合作用对大跨度桥梁上城市轨道交通运营安全造成的影响，以南京大胜关长江大桥地铁搭载段为例，建立横风作用下列车倾覆数学计算模型，并研究列车在风雨联合作用下的运营安全性。结果表明：列车在背风侧运行时的临界倾覆风速大于列车在迎风侧运行时；相对于仅有强风作用，风雨联合作用下列车迎、背风侧的临界倾覆风速均有所降低且背风侧降低较为显著；仅强风作用时桥梁附属设施的增加使列车临界风速有所降低，风雨联合作用下桥梁附属设施的增加对列车临界倾覆风速的影响较小；风雨联合作用下，列车在边跨与中跨运行时的临界倾覆风速变化不大；雨强增大时临界倾覆风速降低不大。由此可见，风雨联合作用下对行车安全影响的主要因素是风速。