轨道不平顺激励下直线电机车辆/轨道动力响应

为了提高直线电机轮轨交通车辆运行的安全性与乘坐舒适性,分析了车轨结构特征,建立了直线电机车辆/板式轨道横、垂向动力学模型。通过三角级数法得到轨道随机不平顺的时间序列,以其作为系统激励,分析了直线电机车辆与轨道的随机振动特性。把轨道不平顺描述为余弦函数,研究了高低不平顺与方向不平顺的波长和幅值对系统动力响应的影响规律。计算结果表明:磁轨气隙变化的频率主要集中在1.2～2.0Hz范围内,波长小于10m的高低和方向不平顺对系统轮轨作用力、脱轨系数及轮重减载率等影响显著增大,应予以重点控制。     

提速线路轨道不平顺波长的动力仿真

基于耦合动力学理论,利用有限元方法建立了车辆-轨道耦合系统振动分析模型,输入不同截止波长的不平顺数据进行动力仿真计算,以确定轨道不平顺管理波长范围.高低不平顺主要影响车体的沉浮和点头运动,引起车体垂向加速度增大;轨向不平顺主要影响车体的侧滚和摇头,引起车体横向振动加速度增大.长波不平顺的影响主要体现在车体振动上,因此本文选定车体加速度作为确定不利波长的判定指标,对提速线路200km/h和250km/h速度下轨道不平顺波长管理的范围进行了探讨,并提出了提速线路轨道不平顺波长管理的建议.     

轨面短波不平顺对轮轨力影响的研究

轨面短波不平顺是轮轨作用力的主要影响因素。通过分析实测轨面短波不平顺数据,利用仿真计算研究不同轨面不平顺、不同运行条件下的车辆动力响应,比较分析动力响应计算结果有利于了解短波不平顺对运行列车的安全性和稳定性的影响。最后的结果分析为现场轨面短波不平顺的维修养护控制值提供一定的理论依据,并建议了轨面不平顺的控制值。     

轨道不平顺与车轨动力响应之间的关系分析

从时域和频域两个方面来研究轨道不平顺与车轨动力响应之间的关系.首先,利用轨道不平顺和轮轨动力学模型来计算轮轨间的动力荷载,加载到轨道有限元模型上得到一定运量下的道床变形和轨道不平顺分布;其次,利用傅立叶变换分别得到了一定运量后轨道不平顺的里程-功率谱、平均功率谱及其拟合谱,分析了不同波长不平顺同道床沉降之间的相关性,并同现场数据相对照.再次,结合现场轨检车的测力轮对数据,包括轨道不平顺、轮载和车体振动加速度,分别从时域和频域两个方面对三者之间的相关性进行分析,并分析了轨道不平顺状态对车轨动力响应的影响程度;最后,认为道床沉降主要影响的是轨道长波不平顺,而对短波不平顺则影响不大,而且从时域和频域来看,轨道不平顺的分布与车体振动加速度的分布相类似,而与轮载分布不同,而且波长较长的轨道不平顺引起车体的振动,它是影响车体振动和车辆运行平稳性的主要因素.     

轨道扭曲不平顺安全限值的研究

本文用车辆－系统耦合动力学的理论，分析了轨道扭曲不平顺的幅值对车辆动力学性能的影响，并以《铁道车辆动力学性定办法和试验鉴定规范》中规定的第二限度（安全限度）为评定准则，提出了轨道扭曲不平顺的安全限值，并对其临时补修标准作出了评价。     

车辆——轨道耦合系统随机振动分析

将轨道高低不平顺视为平稳各态历经随机过程,利用车辆－轨道耦合动力有限元计算模型,对车辆－轨道系统垂向随机动做了计算,在时域和频域内对系统响应作了分析。     

车辆-轨道耦合动力学在轨道下沉研究中的应用

将车辆-轨道耦合振动模型和轨道累积下沉计算模型相结合,以轨道结构动力学响应参量和轨面高低不平顺状态变化作为两者间的联结纽带,从车辆-轨道耦合动力学角度研究了轨道的下沉变形特性.研究结果表明,随着轨道动荷载重复作用次数的增加,轨道下沉量逐渐累积;轨面初始不平顺对轨道下沉变化影响较大;受轨道累积下沉的影响,轮轨力、轨道结构响应加大.     

高底不平顺不利波长及其与车速关系

建立了车辆／轨道垂向振动系统模型，计算了系统各部分的加速度或附加动力功率谱。根据谱分布特征了引起车辆和轨道垂向振动的两个不利波长及与列车速度的关系，对提速后轨道高低不平顺管理提出了建议。     

轨道不平顺概率模型

为了高效选取轨道不平顺随机样本, 以满足车辆-轨道系统随机动力与可靠度分析中的激振源遍历性要求, 依据轨道随机不平顺的弱平稳与谱相似特征, 提出了一种轨道不平顺概率模型; 采用离散概率积分和统计方法, 在时域中将大量轨道不平顺检测信号分成若干个时程序列, 对每个序列采用谱分析法计算其统计功率谱密度分布; 采用矩阵法对轨道不平顺功率谱密度函数进行集合表征, 视每条谱线在不同频率点的功率谱密度概率具有累加性, 采用单一频率下的功率谱密度概率分布推知整条谱线的出现概率; 采用通用随机模拟方法选取代表性轨道谱, 并反演随机不平顺序列; 实测了某高速铁路约269km的轨道高低和方向不平顺, 基于车辆-轨道耦合动力学理论, 从轨道不平顺模拟幅值与车辆-轨道系统动力响应的概率密度分布出发, 对比了轨道不平顺概率模型与轨道不平顺随机模型的计算结果, 以验证轨道不平顺概率模型的正确性和高效性。计算结果表明: 以2种模型生成的轨道随机不平顺为激振源, 获得的车辆-轨道系统动力响应分布熵差异小于2%, 2种模型均能准确表达不平顺激扰特性; 为保证模拟与实测不平顺的概率密度分布一致, 采用随机模型和概率模型分别需要生成131和33个随机样本, 概率模型具有更高的分析效率; 在给定计算工况下, 轮轨力和车体加速度的幅值分别为38~152kN和-0.042g~0.043g (g为重力加速度), 均未超过《高速铁路设计规范》 (TB 10621—2014) 中的限值(轮轨力为170kN, 车体加速度为0.25g), 表明此高速铁路轨道不平顺状态较优, 行车安全性和舒适性可以得到保证。      

基于不平顺谱的轨道不平顺状态评价与识别探讨

线路不同区段轨道质量参差不齐,但其幅频差异能很好地在各区段轨道不平顺功率谱密度（PSD）曲线上得到表征。基于此,结合沪宁客运专线轨检数据,从识别和评价两个方面对轨道平顺状态进行了研究。基于不同区段轨道谱存在幅频特性差异,提出以200m为一研究单元,通过分频段离散各单元轨道谱幅频信息,以三维图的形式进行不平顺的时频域识别分析。借鉴轨道谱分级管理的方法,同时综合波段整体不平顺和波段内各波长幅值波动程度两项指标,研究并给出了评价各里程单元平顺性的方法,将综合评价后各区段所属不平顺状态等级划分为优秀、良好、合格、失格。     

机车对轨道横向随机不平顺的响应

本文用谱分析方法，分析和计算了机车在直线轨道上匀速运行时对轨道横向随机不平顺输入的动力响应，计及了轨道的横向弹性及轮轨间的非线性几何关系。在计算中采用统计线性化方法和迭化法，将结果与线性情况作了比较。     

Coupled Vibration of Long-Span Railway Curved Girder Bridges and Vehicles

The structure of a long curved girder bridge is represented with a three-dimensional curved finite element model. Each 4-axle vehicle is modeled by a dynamic system of 35 degrees of freedom. The random irregularities of the track are generated from a power spectral density function under the given track condition. The dynamic interaction between the bridge and train is realized through the contact forces between the wheels and track. Then based on these models, the coupled equations of motion are solved by applying the time-integration and iteration techniques to the coupled system. The proposed formulation and the associated computer program are then applied to a real curved girder bridge. The dynamic responses of the bridge-vehicle system and the derailments and offload factors related to the riding and running safeties of vehicles are computed. The results show that the formulation presented in this paper can well predict dynamic behaviors of both bridge and train with reasonable computation efforts.     

拟静力分量对列车-轨道-桥梁系统地震响应的影响

为探讨结构拟静力分量对地震作用下高速铁路桥上列车行车安全性的影响,考虑路基和桥梁地震力边界条件,分别采用相对运动法和大质量法,在相对坐标系和绝对坐标系下处理地震力边界条件,建立了不同坐标系下的列车-轨道-桥梁系统地震响应分析模型.以跨度48 m+580 m+48 m的刚构-连续组合梁桥为例,分析了结构单向和三向拟静力分量对列车-轨道-桥梁系统地震响应的影响.结果表明:结构横向拟静力分量将显著增大桥梁横向位移、钢轨横向位移、列车脱轨系数和轮重减载率,而纵向、竖向拟静力分量的影响甚微;同时考虑结构的三向拟静力分量时,列车脱轨系数和轮重减载率均显著增大,且其相对误差随列车速度提高而增大,最大达30.5%和22.2%.因此,不考虑结构拟静力分量在列车速度较高时将严重低估车辆的动力响应,对桥上列车的行车安全性造成误判.      

磁浮列车系统动力特性及耦合振动试验研究

结合比例模型的动力试验,系统地描述了磁浮列车系统各子结构的自振特性,在悬浮和行驶状态下结构动态响应,悬浮模块之间的相关特性以及气隙变化,对系统各子结构的耦合振动问题及其起因进行分析,并对如何减小结构响应、控制耦合振动提出解决方法。     

地震作用下铁路双层结合钢桁混合刚构桥行车安全性

针对特殊地区地震作用下大跨度桥梁行车安全性问题，以某铁路某双层结合钢桁混合刚构桥为工程背景，建立了考虑材料非线性、切向摩擦与轮轨赫兹准确接触关系的列车-轨道-桥梁耦合振动分析模型，并基于ABAQUS-Python软件二次开发，实现了钢轨随机不平顺的施加；选取EL Centro地震波为输入波，分析了强震作用下双层结合钢桁混合刚构桥的损伤演化规律，计算了不同地震强度、不同车速下列车脱轨系数、轮重减载率、车体振动加速度等动力响应指标，分析了关键参数对地震作用下桥上行车安全性的影响规律，提出了该混合刚构桥基于行车安全性能的车速限值。研究结果表明:在罕遇地震作用(0.38g)下，桥梁各构件均出现不同程度的塑性损伤，桥墩破坏区域较大，震后桥梁仍具有一定的承载力；震时列车脱轨系数随地震强度增大而显著增大；车体最大振动加速度与地震强度近似呈线性增长；列车轮重减载率是控制行车安全的关键指标，其峰值与车速呈正相关；当车速为200 km·h-1，地震强度大于0.10g时，列车轮重减载率存在超限情况，列车在下桥时会出现长时间轮轨分离现象；从行车安全性的角度，在设计地震作用0.20g时，安全车速为160 km·h-1。      

磁浮列车与轮轨高速列车对线桥动力作用的比较研究

以德国Transrapid高速磁浮列车和日本新干线高速列车为基础,通过建立高速磁浮、轮轨列车与线桥动态相互作用模型,计算了不同行车速度(100～500km／h)和不同桥跨(12～32m)情形下高速列车与桥梁结构的动力响应,并进行了细致的对比分析。结果表明：磁浮列车在高速特别是超高速运行条件下的乘坐舒适性明显优于轮轨高速列车;磁浮与轮轨高速列车作用于轨道的每延米荷载大体相当;高速磁浮列车对小跨度(22m以下)桥梁的动力作用小于轮轨高速列车,而对中等跨度尤其是大跨度桥梁,轮轨高速列车较高速磁浮列车具有明显的优越性。     

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.     

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.      

列车编组对桥梁振动和乘坐舒适性的影响

利用三角级数法模拟了轨道的不平顺，采用列车编组和桥梁组合的模型，建立了车桥耦合振动方程。对不同列车编组作用下桥梁的竖向振动和车体加速度进行了研究，结果发现列车编组对桥梁的振动和乘坐舒适性影响很大。通过改善列车编组的方法可以提高车桥耦合振动中车辆的动态性能。     

基于ANSYS-MATLAB联合仿真的大跨铁路悬索桥行车分析

针对大跨铁路悬索桥结构复杂、几何非线性显著的特点开展行车动力分析,提出了一种ANSYS与MATLAB实时交互、联合仿真的列车-轨道-桥梁耦合振动分析方法; 在ANSYS内建立悬索桥和轨道结构精细有限元模型,在MATLAB内基于多刚体动力学理论组装车辆质量、阻尼和刚度矩阵,并将轨道结构动力微分方程系数矩阵导至MATLAB中; 分别建立悬索桥子系统、轨道-车辆子系统的动力微分方程,然后基于异步长策略,以大时间步长在ANSYS内考虑主缆几何刚度,并通过更新结构刚度矩阵来求解悬索桥子系统振动响应,以小时间步长在MATLAB内考虑轮轨空间接触关系,并通过施加轨道不平顺来求解轨道-车辆子系统动力响应,2种计算软件通过实时交换数据实现子系统之间的耦合求解; 通过分析某单跨铁路简支梁桥的实测数据验证了该方法的正确性,并利用该联合仿真方法对主跨为660 m的某铁路悬索桥进行了行车动力计算。分析结果表明:随着车速的提高,桥梁动力响应增大,行车安全性与平稳性趋于恶化; 在车速不大于180 km·h-1的工况下,该悬索桥能够满足行车安全性要求; 在列车动力荷载作用下,不考虑悬索桥几何刚度会导致跨中竖向位移产生7.4%的计算误差; 考虑几何刚度、不更新桥梁刚度矩阵导致的桥梁与列车响应计算误差均不超过1%,能够满足工程计算精度需求。可见,提出的联合仿真方法可用于大跨柔性铁路桥梁的行车动力分析。