基于虚拟激励法的车桥系统随机振动分析

基于虚拟激励法进行列车~桥梁耦合系统的非平稳随机振动分析,研究了车速以及轨道不平顺等级对系统随机振动的影响。车辆模型采用10个自由度的两系悬挂垂向车辆模型,考虑轮轨接触点处随机激励的时滞性,将轨道高低不平顺激励假设为均匀调制多点完全相干随机激励;然后根据时变系统的虚拟激励法,将其转化为一系列确定的虚拟激励,采用Newmark逐步积分法分离迭代求解系统的虚拟响应,进而求得系统随机响应的时变功率谱和标准差,据此分析系统的随机振动特性;最后通过数值算例分析了列车速度、轨道不平顺等级对系统随机响应的影响。     

车致“站桥合一”高速铁路客站随机振动分析

为研究轨道不平顺引起的列车-"站桥合一"客站耦合系统随机振动特征,提出基于虚拟激励法和有限元方法的车辆-轨道-客站耦合系统竖向随机振动模型。其中,车辆采用具有二系悬挂的质量-弹簧-阻尼系统模拟,轨道-客站采用有限元方法模拟,轮轨关系采用可以考虑轮轨相对变形的线性Hertz接触模型。采用虚拟激励法将轨道不平顺精确地转化为一系列竖向简谐不平顺的叠加,将非平稳随机振动问题转化为确定性的时间历程问题,推导车辆-轨道-客站耦合时变系统随机振动计算模型。以天津西站为例,对列车高速通行引起的客站各楼层随机振动特性进行分析,并讨论车致振动随车速的变化规律。研究结果表明:客站竖向位移主要受车辆轴重引起的确定性激励控制,轨道不平顺引起的随机激励对其影响很小,而竖向加速度则受两种激励的双重影响;车致随机振动在客站结构内衰减迅速,同一楼层平面内,确定性响应和随机性响应衰减速率相近,沿楼层高度方向,随机性响应衰减速率稍大于确定性响应;车速变化对客站位移影响较小,但对加速度影响显著,其中加速度均方根随车速增大而显著增加。     

基于直接概率积分法的列车-轨道-桥梁系统随机分析

由于施工和制造误差使得铁路工程结构参数不可避免地具有不确定性,同时作为系统主要自激励的轨道不平顺亦具有明显的随机性和时变性,因此,探明不确定因子对列车和轨道-桥梁结构动态性能的影响非常重要。为了高效地完成列车-轨道-桥梁系统随机性能分析,建立列车-轨道-桥梁空间振动分析模型,采用轨道不平顺概率模型和谱表达-随机函数的方式在有限随机变量空间中实现轨道不平顺随机过程的高效模拟。引入概率密度积分方程和直接概率积分法发展了列车-轨道-桥梁系统随机动力方程和相应的计算求解策略。基于MATLAB实现了列车-轨道-桥梁随机振动的直接概率积分法分析程序,计算了全概率不平顺激励和参数随机条件下车-轨-桥系统振动响应的均值、标准差和时变的概率密度信息。研究结果表明：与概率密度演化分析方法相比,直接概率积分法可较好地反映行车过程中系统响应的概率密度特征,然而其在系统响应随机后处理时更为高效,其效率可提高1～2个数量级。此外,考虑轨道不平顺全概率激励更能准确地反映行车过程系统响应的概率特征,平均概率谱可能使得计算结果偏于保守;行车速度对于列车和桥梁动态行为的影响是显著的,随着行车速度的增加系统响应的范围逐渐变...     

基于SiPESC-HiPEM的高速列车车体随机振动响应分析

轨道不平顺是高速列车振动的主要激励源,其激起的列车系统振动具有典型的随机振动行为,其对列车运行的安全性、平顺性具有重要影响。针对此问题,利用虚拟激励法为核心算法的SiPESC-HiPEM计算百万自由度复杂三维车体弹性体的随机振动响应,并根据振动响应结果及疲劳累积损伤理论计算车体的疲劳寿命,其高效、精确的特点为高速列车动力学设计、性能预测提供了有效手段。     

基于概率密度演化理论的尼尔森体系拱桥吊杆应力冲击系数研究

基于概率密度演化理论研究列车动力荷载作用下尼尔森体系拱桥吊杆的应力冲击系数问题.提出基于概率密度演化理论和列车—轨道—桥梁耦合动力学的吊杆随机动应力分析方法.利用数论选点法得到代表性轨道不平顺随机激励样本,基于等效Hertz线性轮轨接触关系建立的列车—轨道—桥梁耦合系统动力学模型.以济青高铁线路某尼尔森体系提篮式拱桥为研究对象,基于概率密度演化方法分析车速和轨道不平顺等级对吊杆动应力均值、标准差和概率密度结果等随机振动特征的影响规律.研究结果表明:尼尔森体系拱桥吊杆动应力标准差和应力冲击系数受轨道随机不平顺激励影响显著,并随着轨道不平顺程度的减小而减小;列车处于桥梁跨中时,概率密度分布范围最宽,峰值最小;吊杆动应力均值受车速影响较小,各车速条件下的动应力标准差和应力冲击系数分布规律不一致;边吊杆处动应力均值最小,动应力标准差和应力冲击系数最大,铁路运营期应保证线路的高平顺性要求.     

列车-桥梁耦合系统非线性随机振动分析

在轨道不平顺激励下,列车过桥时发生车-桥耦合振动。由于轨道不平顺激励源是随机过程,而轮轨接触关系又是非线性的,因此,车-桥耦合振动属于非线性随机振动问题。用统计线性化方法分析车-桥非线性随机振动。轮轨接触几何关系用5个非线性函数描述,推导车-桥系统非线性振动方程。对车-桥非线性振动方程中的非线性函数进行统计线性化,得到时变的线性车-桥耦合振动方程。用虚拟激励法求解线性车-桥系统的随机响应,提出一种"显式"统计线性化方法,该法在每个时间步均无需作统计线性化迭代。最后,用Monte Carlo法验证了车-桥统计线性化随机振动分析方法具有较高的精度。算例表明,轮轨非线性接触对车辆和桥梁的随机响应影响很大,车-桥随机振动分析应合理考虑轮轨非线性接触。     

基于2.5维有限元法和虚拟激励法的地铁交通场地随机振动分析

基于2.5维有限元法和虚拟激励法进行地铁交通场地随机振动特征分析。基于虚拟激励法由轨道不平顺功率谱得到动态轮轨力功率谱,将其作为轨道—隧道—地基土系统2.5维有限元模型的外部激励,计算得到地面随机振动响应,分析车速和轨道不平顺等级对地面随机振动特征的影响。结果表明:地面振动位移受车辆轴重控制,受轨道不平顺随机激励影响较小;地面振动速度和加速度主频随地铁车速的增加显著增大,轨道不平顺等级不改变地面振动响应的频谱分布;轨道不平顺等级降低和地铁车速增大造成地面随机振动响应的离散度和Z振级最大值显著增加;轨道不平顺随机激励下,地面振动速度和加速度上限值以及Z振级最大值在垂直于地铁运行方向的衰减出现明显波动,距轨道中心线60 m外衰减趋势变缓。     

车桥系统空间非平稳随机分析

采用虚拟激励法将轨道高低、方向和左右轨高差不平顺转化为一系列简谐荷载,将非平稳振动分析转化为确定性的时间历程分析,进行三维车桥系统空间非平稳随机分析。采用分离迭代法求解车桥系统运动方程,运用三倍差原理确定系统响应的最大和最小值,讨论系统响应的功率谱密度。研究表明:车体振动、桥梁跨中横向响应和轮对受到的横向轮轨力的随机性较大,轨道不平顺是其主要影响因素,桥梁跨中垂向响应及轮对受到的垂向轮轨力主要由确定性荷载引起。     

列车脱轨机理与脱轨分析理论研究

在分析国内外脱轨研究现状的基础上，总结出脱轨研究中存在如下主要问题。（1）现有预防脱轨标准对实际列车脱轨没有控制作用。（2）不明原因列车脱轨机理不明确。（3）列车脱轨计算存在3个根本问题：①列车-轨道（桥梁）时变系统振动方程组的建立与求解未满足轮轨位移衔接条件；②仅以轨道横向不平顺作为列车-轨道（桥梁）时变系统横向振动的激振源，未考虑根本激振源——轮轨接触状态的影响；③仅以轨道不平顺的随机性和按时不变系统随机振动分析理论，     

轨道不平顺激励下车辆-桥梁垂向随机振动方差解法

提出时滞多维非白噪声轨道不平顺激励下车辆-桥梁垂向随机振动的时域分析方法。采用白噪声滤波法模拟单轮对下的不平顺,在宽频带内识别滤波器参数以实现波长选择功能。基于Pade近似构造累次时滞滤波器以反映各轮对下不平顺之间的时滞关系。结合成型和时滞滤波器,构造以一致白噪声为输入、时滞多维非白噪声不平顺为输出的合成滤波器。建立车辆-桥梁垂向振动模型,并与合成滤波器联立得到一致白噪声激励下的车-桥-滤波器扩阶状态方程。继而提出求解此扩阶时变系统随机振动方差响应的递推算法。算例结果与MonteCarlo模拟法符合良好,表明该方法具有足够的精度,且对时间步长不敏感。     

轨道复合不平顺对提速列车运行影响的研究

轨道几何形位不平顺是影响轮轨动态作用力和行车平稳性的主要因素之一,是当前高速重载和提速线路的主要研究内容.利用动力模拟仿真计算多种类型轨道单一不平顺、复合不平顺和随机不平顺激扰下提速车辆的动力响应,并着重分析轨道复合不平顺对提速列车运行安全性和平稳性的影响.对各种轨道不平顺条件下车辆动力响应的计算结果进行分析对比,找出相对不利的轨道不平顺类型及其波长和幅值,为现场控制各种类型轨道不平顺、制定提速线路轨道养护维修和不平顺管理标准提供理论依据.结果表明,方向和水平复合不平顺对车辆运行的安全性和平稳性的影响较大,是需要重点控制的轨道不平顺类型.     

车轮踏面磨耗及轨道不平顺联合作用下的车辆-轨道系统随机分析模型

车轮磨耗和轨道不平顺具有随机特征。基于车轮圆周磨耗的概率特征及高斯分布假设,将车轮型面离散化,形成车轮型面磨耗量的概率反演方法;同时,基于轨道不平顺概率模型,实现轨道不平顺在不同幅-频状态下的遍历随机模拟。结合车辆-轨道耦合动力学理论和概率方法,建立考虑车轮踏面磨耗-轨道随机不平顺耦合作用的车辆-轨道随机分析模型,并用一类概率密度演化方程解决模型的概率密度传递问题。此模型能较好分析车辆-轨道系统在不同车轮型面磨损及线路随机不平顺联合作用下的动力响应分析及可靠度计算问题。     

横向地震作用下车辆−板式无砟轨道系统随机振动分析

地震波本质为非平稳随机过程。为了准确分析地震波对车辆?轨道系统非线性振动行为及动力可靠度的影响,基于车辆?轨道动力相互作用模型、轨道不平顺概率模型和概率密度演化方程,建立考虑轨道随机不平顺作用的横向地震?车辆?轨道系统随机分析及可靠度计算模型。以地震波演化功率谱模型为例,峰值加速度取为1.96 m/s2,对地震和轨道不平顺联合作用下的车辆?轨道系统随机响应进行数值分析。研究结果表明:当考虑轨道不平顺和地震波的联合作用时,车体横向加速度和轮轨横向力较仅考虑地震波作用下的系统响应增大约10.92%和24.97%;轨道随机不平顺与地震随机波的耦合将进一步增大结构动力响应的离散性,故而开展地震和轨道随机不平顺的联合分析是必要的。     

轨道随机不平顺对高速铁路列车运行性能影响分析

轨道几何不平顺不仅是列车动力响应的主要原因,也是列车运行安全性和平稳性的重要因素。基于SIMPACK多体动力学仿真软件,分析4种基本随机不平顺对高速列车直线运行性能和曲线运行性能的影响,对比不同激励类型下列车的安全性和平稳性指标,并推导出最不利影响激励和线路位置,为现场控制基本轨道不平顺,制定轨道养护维修和不平顺管理标准提供理论依据。分析结果表明:方向和高低随机不平顺分别对列车的横向加速度以及垂向加速度影响较大,轨距随机不平顺对曲线地段列车脱轨系数作用最大,方向随机不平顺对列车在直线和第二段缓和曲线处脱轨系数影响较大,同时在两段缓和曲线处轮重减载率也急剧增大,水平随机不平顺对两个缓和曲线地段处列车的脱轨系数影响较大。     

桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统动力特性的影响

桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统的动力学特性具有重要的影响,直接关系到桥上列车的行车安全性和运行平稳性。基于列车—轨道—桥梁动力相互作用理论,以高速铁路常用的简支箱梁桥和双块式无砟轨道为研究对象,采用列车—轨道—桥梁动力学仿真通用软件TTBSIM2.0,研究桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统动力性能的影响规律。结果表明:当桥梁梁体的刚度或者桥墩的横向刚度不足时,车辆和桥梁的相关动力性能指标将随着刚度的减少而急剧增大,严重影响列车过桥时的安全性和平稳性;当梁体垂向刚度不足时,有可能会引发车桥共振现象;当桥梁结构刚度满足设计规范要求时,车桥系统动力响应指标随刚度变化不明显,此时行车速度和轨道不平顺成为影响行车安全性和平稳性的主要因素。     

列车通过轨道不平顺和刚度突变时对轨道振动的影响

通过建立轨道振动微分方程,推导了单轮作用下考虑轨道不平顺和轨道基础刚度突变的轨道变形解析表达式。利用该解析解和叠加原理,研究了轨道不平顺和轨道刚度突变对轨道振动的影响,分析了单轮对和TGV高速动车通过不同的轨道不平顺和4种轨道刚度比时的轨道动力响应。计算表明,轨道不平顺和轨道刚度突变对轨道振动有较大影响,其影响随着轨道不平顺振幅、刚度比和列车速度的增加而增加。     

低速磁浮轨道不平顺功率谱研究

轨道不平顺是磁浮列车振动的主要激扰源,直接关系到列车运行的稳定性和舒适性。文章基于唐山低速磁浮试验线实测的轨道不平顺数据,采用周期图法进行样本空间的谱估计,得到轨道不平顺在各空间波长的分布。分析结果表明,轨道本身结构参数、轨道安装精度和F轨的轧制工艺是产生轨道不平顺的主要原因。参考国内外成熟的铁路轨道谱线表达形式,得到低速磁浮轨道谱的拟合曲线公式,应用阻尼最小二乘算法拟合轨道谱表达式的参数,对于研究我国磁浮轨道不平顺功率谱有重要的参考价值。     

轨检仪弦测法"以小推大"检查轨道轨向不平顺的理论研究

弦测法是轨道方向测量的一个基本方法,其主要不足在于它的幅值增益在空间频域内随不平顺波长变化而变化,这使弦测法的应用受到局限。本文讨论了弦测法的基本原理并推导了“以小推大”公式,在此基础上分析了轨检仪利用弦测法检测轨向不平顺时,“以小推大”方法的系统误差与随机误差,并进行了计算机仿真。仿真结果证明:“以小推大”公式对波长为整数倍弦长的线路原始轨向不平顺值能较好地进行拟合。最后,针对波长为非整数倍弦长的轨向不平顺值建议采用牛顿插值解法。     

用于铁路轨道不平顺预测的综合因子法

根据轨道结构存在的不平顺特征及其形成原因,提出基于数字统计理论、信号处理理论和轨道不平顺检测数据的综合因子法,对各类轨道不平顺的发展趋势进行预测,为铁路线路的维修提供参考依据。方法的核心思想是基于对同一地段轨道不平顺变化规律相近的认知,即轨道在线路脆弱的地方会更脆弱,在不平顺幅值较大的地方其不平顺发展也相应较大。综合考虑影响轨道不平顺发展的众多因素,如轨道系统各部件的材料影响、铁路施工以及各种运营条件、环境因素等,将这些影响因素共同作用后的整体效果反映在构建的预测模型中,给出相应的综合因子和随机量的参数矩阵,并建立轨道不平顺管理的分级概念。计算结果表明,综合因子法能够较好地预测轨道不平顺的变化。