弹性支承块式无碴轨道振动分析新模型

针对弹性支承块式无碴轨道结构特点,提出了一种新的用于竖向振动分析的有限元模型。在该模型中,钢轨模拟为弹性点支承Euler梁;钢轨下面的支承块视为刚体;轨道板视为弹性薄板,并且采用横向有限条与板段单元法对其进行位移插值;钢轨扣件模拟为线性弹簧和阻尼器;轨道板和混凝土底座下的路基模拟为连续分布面弹簧和阻尼器。在此基础上,基于弹性系统动力学总势能不变值原理和形成系统矩阵的"对号入座"法则,推导了弹性支承块式无碴轨道的竖向振动总势能,为建立弹性支承块式无碴轨道竖向振动方程,乃至进行弹性支承块式无碴轨道在高速列车作用下的动力响应分析奠定了良好基础。     

高架简支箱梁与U梁车-轨-桥耦合振动分析

基于多体动力学与有限元法,利用多体动力学软件Simpack建立箱型梁及U型梁的三维车轨桥耦合振动仿真模型,对列车过桥时箱型梁、U型梁及轨道结构竖向和横向振动进行分析,得到桥梁振动空间分布情况,进一步研究扣件、板下弹性支承与桥梁支座参数对箱型梁和轨道结构的振动规律,并给出各参数的合理取值范围。研究结果表明:列车以80 km/h的速度过桥时,箱型梁与U型梁结构振动空间分布情况差异明显,应重点关注钢轨、轨道板以及箱梁翼板与腹板的竖向振动,U型梁翼缘处横向振动不容忽视;增大扣件刚度能明显减小钢轨变形,但过大的刚度会使箱梁与轨道结构的振动加剧,建议扣件竖向刚度取值为20~50 MN/m;增大板下弹性支承刚度可明显减小轨道板的振动,但过大的刚度会加强钢轨振动,建议板下弹性支承竖向刚度取值为(1.0~1.5)×10~3 MN/m;增大支座竖向刚度在一定范围内可减小轨道板与箱梁的振动,但过大的支座刚度反而会使桥梁振动加剧,不利于减振,建议支座竖向刚度取值为(3~4)×10~3 MN/m。     

移动荷载作用下周期支承Timoshenko梁动力响应

针对移动荷载作用下周期支承Timoshenko梁的具体结构,将其任一梁单元分解为一个支撑单元和两个非支撑单元。在轨道结构动力响应的周期解析解的基础上,采用传递矩阵法,应用Laplace变换等理论,推导周期支承Timoshenko梁的传递矩阵。将激振点的状态变量乘以一系列梁单元的传递矩阵,推得拾振点的传递函数,进而给出移动荷载作用下周期支承Timoshenko梁上任一点的动力响应解。     

基于轨道元的运动有限元分析

基于轨道纵向条带状分布的规则性结构,建立轨道元的运动有限元数值计算方法与轨道结构空间整体模型,分析钢轨与轨枕所采用的空间Timoshenko梁单元有限元控制方程的形成,阐述轨道元单元移动的数值计算过程和边界条件的处理方法.轨道元作为数学模型,从形式上表现为轨枕间距长度范围内的一段轨道截矩,涵盖一根轨枕及其相应钢轨、扣件、弹性垫层、道床与路基在内的动力学特性,应用列车前后适时"增加与缩减"一个(或多个)轨道元的方法,可进行无限长轨道结构的动态响应分析.理论计算与实测结果对比表明,所建基于轨道元的运动有限元模型及其程序能够反映轨道结构的振动特性及进行相应的动力性能分析.     

轨道梁结构对中低速磁浮车轨耦合振动的影响

建立了双级电磁悬浮控制器模型,轨道梁采用Euler-Bernoulli模型,基于单点悬浮控制系统建立"车辆-控制器-弹性梁"耦合动力学数值模型。对控制参数引起的车轨耦合失稳振动的特性进行分析,仿真计算不同轨道梁结构参数下,对中低速磁浮车轨耦合振动影响进行研究。结果表明:发生频率较低的车轨耦合振动时,轨道梁结构参数的改变对车轨耦合振动无明显影响;发生频率较高的车轨耦合振动,轨道梁固有频率随轨道梁结构而改变时,对车轨耦合振动影响明显;轨道梁固有频率不随轨道梁结构参数改变时,对车轨耦合振动无明显影响;轨道梁结构阻尼可以有效抑制车轨耦合振动响应。低频车轨耦合振动,轨道梁结构改变无法控制车轨耦合振动,车轨发生高频耦合振动时,增大轨道梁结构阻尼比及改变轨道梁固有频率均能有效控制车轨耦合振动,因此实际工程中可以考虑轨道梁下安装阻尼器和吸振器来改变轨道梁结构参数和结构阻尼来抑制振动。     

轨下支承失效对车辆系统动态响应及乘坐舒适度的影响

建立了基于Timoshenko梁模型的非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨下支承失效对车辆乘坐舒适度的影响。钢轨被视为弹性离散点支承上的无限长Timoshenko梁,通过假设轨道系统垂向支承刚度沿纵向分布发生突变来模拟轨下支承失效状态。推导了考虑钢轨横向、垂向和扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式。利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论分别计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力。采用移动轨下支承模型分析离散的轨枕支承对系统动力响应的影响。利用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程。乘坐舒适度评价采用Sperling指标,通过数值分析,得到直线轨道连续从0到6个轨下支承失效对车辆动态响应及乘坐舒适度的影响。结果表明,轨下支承失效对车辆系统位移、加速度有显著的影响,随着轨下支承失效个数的增加,轮轨力和车辆系统的位移、加速度将会急剧增大,乘坐质量和乘坐舒适度指标呈线性增大,但数值很小。     

无砟轨道弹性地基梁板模型

根据无砟轨道的结构和受力特点,采用弹性点支承梁模拟钢轨、板壳单元模拟无砟轨道各结构层,建立无砟轨道弹性地基梁板模型,进行无砟轨道各结构层的荷载弯矩计算,并与弹性地基叠合梁模型及弹性地基梁体模型进行对比.结果表明:弹性地基梁板模型更符合无砟轨道结构的受力特点,能够有效地反映承载层的空间弯曲变形;在该模型的钢轨上施加轮载可直接得到无砟轨道各承载层的纵、横向弯矩,既克服了弹性地基叠合梁模型忽略无砟轨道纵、横向变形协调条件,将纵、横向弯矩分开计算而造成的较大计算误差的缺点,也克服了弹性地基梁体模型层间约束强且计算繁琐的缺点.弹性地基梁板模型计算的结果与遂渝线实测结果基本吻合,验证了模型的合理性和有效性.     

扣件支承模拟方式对车辆-轨道动力学行为的影响

针对车辆-轨道耦合动力学模型中扣件支承的模拟方式,建立了车辆-轨道动力学精细化空间实体模型,研究了扣件支承方式分别为单点支承、多点支承以及连续支承时,轮轨相互作用力、钢轨振动加速度、钢轨受力变形等动力学行为的差异。结果表明:(1)轮轨相互作用方面,扣件模拟为单点支承时轮轨垂横向力最大,连续支承时轮轨垂横向力最小,多点支承时轮轨垂横向力介于两者之间。(2)单点支承模型的钢轨和轨道板振动加速度明显大于多点支承和连续支承。(3)钢轨在单点支承条件下,由于轨底局部支承应力较大,钢轨的动弯应力和动位移均大于多点支承和连续支承情况。因此,在建立精细化的车辆-轨道动力学模型时采用多点支承形式来模拟扣件系统是较为合理的。     

高速铁路无砟轨道振动分析

研究目的:通过建立考虑线路随机不平顺的轨道结构连续双层梁模型,提出分析高速铁路弹性支承块式无砟轨道结构振动的数值方法,为无砟轨道结构设计提供指导.研究结论:对轨道结构振动方程进行傅里叶变换,求解傅里叶变换域中的振动位移,再通过快速离散傅里叶逆变换得到轨道结构的振动响应.线路随机不平顺是根据实测的功率谱函数在计算机上生成的.相对于其它复杂的车辆-轨道耦合动力学模型,该方法简单可行,借助于Matlab软件使得程序编制容易实现,且能反映轨道振动的基本规律和特点,尤其适合于整趟列车通过时轨道结构振动分析的情况.作为应用实例,对高速铁路弹性支承块式无砟轨道进行了振动分析,分析了线路不平顺等级、轨枕垫板和弹性扣件刚度、轨道基础刚度和列车速度对轨道振动的影响,得到了轨枕块橡胶垫板静刚度和橡胶套靴静刚度的合理设计值范围分别为60～90 MN/m和120～150 MN/m.     

基于车辆-轨道单元的桥上CRTS Ⅱ型板轨道竖向振动分析

根据车辆与桥上CRTS II型板轨道结构相互作用的特点,提出一种车辆单元与一种轨道单元,运用有限元方法和Lagrange方程,建立2种单元的动力有限元方程。车辆单元与传统车辆模型的不同在于每个车轮下附有一系钢轨,该钢轨仅用于车辆与轨道之间的耦合,不计其质量和刚度。利用这种车辆单元,可建立运行车辆与轨道结构耦合的显示算法,避免了复杂的程序编制工作。基于轨道参振作用,轨道单元从形式上表现为扣件间距范围内的一段轨道截矩,涵盖了钢轨、扣件、轨下垫板、轨道板,混凝土连续底座板、桥面板以及相互作用的4层梁模型。计算结果与文献对比表明,基于车辆单元与轨道单元的车辆—轨道—桥梁耦合振动模型及其程序能够反映轨道结构的振动特性以及进行相应的动力性能分析。     

黏弹阻尼道床阻尼厚度对隧道及地表振动衰减特性的模拟研究

为探究黏弹阻尼道床阻尼厚度对隧道及地表振动衰减特性的影响,为工程设计提供理论支持。利用ANSYS建立土体-隧道-道床平面有限元模型,分析在5～25 Hz频率荷载的作用下,整体道床和黏弹阻尼道床在隧道结构中的振动响应,并分析这两种道床下地表距离隧道中心线不同距离的振动加速度的衰减特性。结果表明:荷载频率小于10 Hz时,在地表距离隧道中心25 m左右,振动有明显的放大区域;荷载频率为10～20 Hz,振动加速度随道床阻尼层厚度降低,阻尼层越厚振动衰减越明显;随着黏弹阻尼道床阻尼层厚度增加,隧道衬砌底部振动加速度有效值依次降低,隧道壁竖直方向振动衰减更加明显,阻尼层每增加2 mm,振级降低1～4 d B。     

土石堆积体精细化模型构建及力学特性数值试验

土石堆积体具有较强的非均质性,其力学破坏特性受内部块石的细部特征影响较大。依托罗打拉堆积体隧道,借助数字图像处理与块石随机投放技术实现了对土石堆积体精细化数值模型的构建,采用大型三轴试验验证模型的正确性,并深入探讨土石堆积体力学破坏的特征及规律。研究结果表明:该方法获得的力学参数及应力应变曲线与三轴试验结果差异不大;在加载过程中,剪切破裂面由试样中部及顶部两端块石尖端与土体的交界面沿土石路径向四周发育,直至形成X形或人字形带状分布的剪切塑性区,并趋于贯通至发生剪切破坏。该方法的提出为土石堆积体力学参数的选取提供了一种新思路,可为土石堆积体隧道工程设计、施工等提供有益指导。     

磁悬浮轨道梁刚度对列车走行性影响研究

高速磁悬浮列车过桥为移动的均布荷载过桥 ,它与铁路车辆集中荷载过桥不同。磁浮列车整车模型和移动荷载模型过桥的有限元仿真分析证实在轨道梁第一阶自振频率 f接近磁浮列车速度与轨道梁跨长之比接近v/L时 ,轨道梁动力响应最大。桥梁动力响应随着轨道梁刚度增加而减小 ,当轨道梁第一阶竖向自振频率大于vmax/L时 ,轨道梁不会出现剧烈振动 ,再增加轨道梁刚度不能有效地减小振动     

薄壁箱梁剪滞剪切效应自振特性分析

在推导考虑剪力滞、剪切变形双重效应的单元刚度矩阵与等效结点荷载矩阵的基础上[1],进一步推导出考虑双重效应的单元质量矩阵,从而形成完整的薄壁箱梁考虑双重效应的矩阵分析体系,可方便地纳入矩阵位移法程序系统,为常见的薄壁连续梁等复杂结构的剪力滞效应分析提供一种计算手段。利用自编程序ZLBOX对薄壁箱型简支梁和悬臂梁考虑剪力滞、剪切变形双重效应时的自振特性进行了分析,所得结果与ANSYS实体单元计算结果符合良好。计算结果表明,剪力滞、剪切变形双重效应使薄壁箱梁的自振频率降低,剪力滞效应占双重效应的85%以上,双重效应对高阶频率的影响比低阶频率的影响大。     

直逆向过岔时列车-道岔-连续刚构桥系统空间振动分析

针对桥上无缝道岔,运用有限单元法,建立钢轨-岔枕-桥梁系统空间振动分析模型。运用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的“对号入座”法则,建立了列车-道岔-桥梁系统空间振动方程组。以温福客运专线田螺大桥为例,拟定桥上铺设了由2组38号道岔组成的单渡线,计算“中华之星”电动车组,按一动四拖的编组方式,以200 km/h的速度直逆向通过时,列车-道岔-桥梁系统空间振动响应,并与列车通过路基无缝道岔和桥上无缝线路的动力响应进行对比。计算结果表明,桥梁导致钢轨和岔枕的位移增幅较大,列车动力响应有所增加,对道岔振动加速度和轮轨力影响不显著;道岔导致桥梁振动加速度小幅增加,而列车动力响应显著增大。     

双线铁路下承式连续梁拱组合桥列车-桥梁时变系统空间振动随机分析

在列车-桥梁时变系统横向振动能量随机分析理论的基础上,采用26个自由度的列车空间振动模型,以空间梁单元模拟桥梁结构,以普通空间梁元即12自由度的空间梁元来模拟拱及吊杆结构,建立了双线铁路下承式连续梁拱组合式桥列车-桥梁时变系统空间振动分析模型,分别以构架人工蛇行波及前苏联规律性的竖向不平顺函数为横向及竖向激振源,进行双线铁路下承式连续梁拱组合式桥列车-桥梁时变系统空间振动响应分析。计算了列车以不同车速通过桥梁的空间振动响应,所得结果可供设计参考。     

动车组天线梁随机振动疲劳寿命评估

为对动车组天线梁的随机振动疲劳寿命进行评估,首先,建立天线梁及构架结构有限元模型,并对其分析得到天线梁的固有频率;然后,利用软件编程得到德国低干扰轨道不平顺自功率谱,再根据自功率谱得到各轮对间互功率谱;最后,在有限元分析软件中对各轮对进行激励加载,采用模态叠加法对天线梁进行随机振动疲劳寿命分析,得到结构疲劳寿命薄弱位置。     

路基上双块式无砟轨道道床板空间力学特性研究

研究不同荷载作用下,高速铁路路基上双块式无砟轨道道床板空间力学特性。钢轨及道床板中钢筋用梁单元模拟,道床板、双块式轨枕、支承层以实体单元模拟,钢轨与道床板、道床板混凝土与钢筋、支承层与路基之间的连接用弹簧单元模拟,建立了可考虑混凝土开裂的路基上双块式无砟轨道三维有限元力学模型,分析了自重荷载、列车垂向荷载、不沉匀沉降荷载、温度梯度荷载作用下道床板的空间力学特性。结果表明:温度梯度荷载对混凝土纵、横向拉应力的影响最为显著;在列车荷载、不均匀沉降及温度梯度荷载作用下,钢筋纵向拉应力均超过了20 MPa;不同荷载作用下,支承层厚度、支承层弹性模量、道床板厚度等参数变化对混凝土和钢筋力学特性的影响不同;混凝土和钢筋纵向拉应力随着道床板裂缝间距的增加而增大。     

城际铁路无砟轨道简支T梁设计研究

随着我国城市圈建设步伐的加快,城际铁路的建设日益加快,国家铁路局于2015年颁布了城际铁路设计规范,其标准简支梁设计研究也正开展。在此背景下,基于更好体现城际铁路建设经济性要求、充分利用T梁造价低与施工便捷等优点的目的,在借鉴珠三角、武汉城市圈城际等项目实践经验的基础上,研究时速200 km无砟轨道简支T梁的构造,并通过采用杆系有限元分析方法建立相应计算模型,对其强度、刚度进行验算,同时采用实体有限元模型进行验证。分析结果表明,无砟轨道简支T梁可以满足强度、刚度等相关规范要求,且能有效降低工程造价,可在城际铁路建设中推广。