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。     

制动工况下“站桥合一”客站纵向动力研究

为研究高速列车制动对"站桥合一"客站纵向动力响应的影响,利用自主研发软件TTBLS-DYNA建立列车-轨道-客站耦合系统纵向动力模型。分别采用有限元方法建立轨道-客站三维空间模型,采用刚体动力学方法建立车辆纵向动力模型。依据动车组的制动减速度特性曲线,通过数值积分方法求解车辆和客站耦合动力方程,进行耦合系统纵向动力响应分析,并以天津西客站为例进行车-站纵向耦合振动分析。研究结果表明:高速列车站内制动对客站结构纵向动力响应影响较小,列车停车瞬间轨道层及高架层纵向位移及加速度达到最值;双线反向制动工况下客站各层结构纵向位移及加速度较单线制动小;车致振动沿楼层高度方向传递过程中,振动加速度逐渐衰减,屋顶层加速度最小;客站各层纵向位移及加速度最大值均随列车制动级别的增大而增大,轨道层加速度最大值增幅最为显著。     

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。     

基于移动单元法的高速铁路轨道不平顺特性研究

轨道不平顺不仅是引起列车和轨道振动的主要激扰，也是影响列车安全平稳运行的重要因素。为分析中国高速铁路轨道不平顺谱的特性及其对列车运行的影响，采用移动单元法建立考虑离散支撑的无砟轨道-车辆耦合模型，将逆傅里叶变换得到的中国轨道不平顺谱时域样本作为轮轨激励输入，通过编程数值计算分别研究列车速度、不平顺幅值和波长对轨道-列车系统动力响应的影响。研究表明：基于移动单元法建立的无砟轨道-车辆耦合模型的计算结果与有限元模拟结果吻合良好，移动单元模型准确可靠；轨道高低不平顺的幅值和波长特性均对系统的竖向动力响应有着显著影响，随着幅值增大和较短波长成分增加，轨道位移和轮轨接触力明显增大，其中2 m左右的不平顺波会对轮轨动力特性产生显著影响；此外，较高的车速会加剧系统的竖向动力响应。     

车辆-轨道-桥梁竖直耦合振动程序设计及仿真

为研究轨道交通车辆经过高架桥时的动态特性,以弹性支承块式无砟轨道为例,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立了车辆-轨道-桥梁耦合系统的竖向振动矩阵方程,利用MATLAB软件编写了计算程序。数值算例验证了计算程序的可靠性。通过改变系统参数,探索了轨道不平顺、车辆速度和轨道结构竖向刚度对系统竖向振动响应的影响。结果表明:轨道振动频率分布在0~500 Hz范围内,以20 Hz以内的低频振动为主;桥梁振动频率分布在0~200Hz范围内,以一阶竖向弯曲振动为主;轨道不平顺所产生的轮轨高频冲击力可达轴重的3倍,是车辆-轨道-桥梁耦合系统重要激励源之一;轮轨力和轨道加速度响应对车速的变化敏感,车辆-轨道-桥梁耦合系统位移响应对车速的变化不敏感;扣件和支承块胶垫竖向刚度应根据设计要求在40~80 k N/mm之间进行合理匹配取值。     

跨座式单轨列车与轨道梁系统的动力响应分析

以重庆市跨座式单轨交通系统牛角沱至李子坝区段的预应力混凝土简支梁为研究对象,将每节车辆简化为6个自由度的动力系统,运用牛顿法建立考虑轮胎侧偏特性的跨座式单轨列车车辆的运动方程;用模态综合法建立轨道梁的运动微分方程;根据车辆和轨道梁的力协调条件,建立车辆与轨道梁动力相互作用的竖向耦合运动控制方程。采用Visual Fortan 6.5编制程序,研究不同车速、不同轨道不平顺条件下轨道梁和车辆的竖向动力响应。结果表明,车速及不同轨道不平顺条件对轨道梁挠度的影响较小,但对加速度影响较大;车体的竖向加速度随车速增大而增加,车速小于40 km.h-1时,不同的轨道不平顺激励对车体竖向加速度的影响较小,而当车速大于40 km.h-1时,则影响较大。     

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。     

基于虚拟激励法的车桥系统车速影响分析

本文基于虚拟激励法提出列车-桥梁耦合系统的非平稳随机振动分析的新方法,并借此重点分析车速对系统随机振动的影响。列车每节车辆考虑27个自由度,桥梁模型采用空间Euler梁单元,轨道不平顺假设为多点异相位平稳随机激励。根据时变系统的虚拟激励法,推导得到方向、高低和水平三类轨道不平顺作用下车桥系统响应的时变功率谱及标准差,并采用精细积分法进行迭代计算,最后以高斯型随机变量的三倍标准差为误差范围给出系统响应最大值估计。在数值算例中,用时间历程法验证本文方法的正确性和有效性,并重点讨论列车速度的影响。     

桥上无砟轨道竖向动力特性分析

根据桥上CRTSⅡ型轨道结构形式,考虑高速列车与无砟轨道、桥梁之间的相互作用,建立基于新型车辆单元和无砟轨道-桥梁单元的车辆-无砟轨道-桥梁纵垂向耦合振动模型。运用有限元方法和Lagrange方程,分别推导车辆单元、无砟轨道-桥梁单元的刚度、质量和阻尼矩阵,建立有限元数值方程。考虑轨道平顺和轨道不平顺两种工况,求解有限元数值方程,分析梁端和跨中动力特性。计算结果表明,该模型及程序能够反映轨道结构的竖向振动响应。施加轨道不平顺,轮轨作用力增大了50%左右,梁端处钢轨的竖向加速度增加了6.5倍左右,跨中处从10 m/s~2增加到30 m/s~2。每种工况下,梁端和跨中处轨道结构的竖向位移、竖向加速度分别逐渐减小,梁端处轨道结构的振动及其位移变化都比跨中处大。     

线路不平顺对桥上CRTSⅡ型板轨道振动的影响

研究目的:轨道不平顺引起的列车振动和轮轨相互作用力随着列车速度的提高成倍增大。对车辆-轨道-桥梁耦合振动而言,桥梁变形和轨道不平顺相互叠加形成轨面位移,因而轨道不平顺对系统动力响应的影响更加显著。本文针对轨道不平顺对客运专线高架轨道结构振动特性的影响进行研究,分析三种实测中长波轨道不平顺状态,即路基有砟轨道不平顺、桥上有砟轨道不平顺以及隧道无砟轨道不平顺对高架轨道结构振动响应产生的影响。研究结论:(1)在相同运营条件、相同养护条件下,不同轨道结构的不平顺状态对轮轨冲击作用力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度的影响不同,但对桥梁振动加速度的影响较小;(2)在客运专线轨道中长波不平顺激励下,钢轨振动频率主要分布在20～250 Hz范围内,轨道板、桥面板垂向振动频率分布在20～150 Hz范围内,轨面不平顺度的波长成分是影响轨道结构振动频率分布特性的一个主要因素;轮轨力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度受随机不平顺的短波长成分的影响显著;(3)除了轨道结构类型的影响,轨道不平顺功率谱大小与波长特性对轮轨力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度也产生了显著的影响,建议在进行轨道不平顺控制时将轨道不平顺谱纳入高速铁路客运专线轨道质量的评价指标当中;(4)本研究成果对加深认识我国高速铁路轨道不平顺对高架轨道结构振动特性的影响具有一定的理论意义和实用价值。     

轨道高低不平顺敏感波长的分布特征及其影响因素的研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论,采用频率分析方法计算轨道高低不平顺与车辆-轨道垂向耦合系统之间的传递函数。根据车辆-轨道耦合系统的振动传递特性得出轨道高低不平顺的敏感波长,并分析其分布特征,进一步探讨行车速度、车辆悬挂参数、轨道参数对敏感波长的影响。结果表明:基于车辆-轨道耦合系统的振动传递特性,可得出轨道不平顺的敏感波长;车体、转向架振动加速度的敏感波长不随车速的增大而递增,而由车速的增大速率与敏感频率移动速率的比值决定的;轮对加速度、轮轨力和轨道结构振动加速度的敏感波长随车速的增大近似呈线性增大;适当增大车辆系统的悬挂刚度和阻尼有利于减小高低不平顺的最大敏感波长范围;轨道刚度和阻尼对车体、转向架振动加速度的敏感波长几乎无影响,但轮对加速度、轮轨力和轨道结构振动加速度的敏感波长随轨道刚度和阻尼的增大而减小。     

地铁减振垫轨道结构对车致环境振动的影响分析

减振垫轨道是城市轨道交通高等减振措施中常用的一种轨道结构。为了研究减振垫轨道结构对车致环境振动的影响,首先对减振垫轨道的模态进行分析,其次建立了地铁列车-减振垫轨道-隧道-土体-建筑物系统模型。该系统模型分为两个子模型,将子模型1中的竖向轮轨力作为子模型2的外加激励,计算分析了轨道板、隧道壁、地面和楼层的车致振动加速度特性与振级特性。研究结果表明:由列车运营引起的振动在传递途径中,竖向振动加速度由轨道板到隧道壁的衰减量远大于由隧道壁到地面的衰减量,楼层和地面的竖向振动加速度水平基本相当;轨道板、隧道壁、地面和楼层的1/3倍频程加速度级两个峰值对应的中心频率31.5 Hz、80 Hz与轨道板第5阶、第10阶主振型的固有频率有关;减振垫轨道的中心频率介于3.15 Hz和8 Hz之间的减振效果较好;隧道埋深大于11 m,以及采用减振垫轨道结构的情况下,隧道正上方地面和楼层的Z振级最大值均小于70 dB,能够满足环评标准的要求。     

随机振动过程中轮轨系统内的能量研究

研究目的:振动的传递实质上是振动能量的传递,但是目前在轨道交通减振降噪研究方面,从能量角度进行研究的却并不多见。为了揭示随机振动过程中轮轨系统中各结构的能量分配关系,继而实现更合理的减振降噪设计,本文基于哈密尔顿原理,建立车辆-轨道耦合振动模型,用以统计分析轨道不平顺引起的车辆、轨道与轮轨接触三个子系统随机振动的能量大小,并探讨轨道不平顺、车辆轴重、轨下支承刚度与阻尼对轮轨系统能量关系的影响。研究结论:(1)轨道不平顺激励引起的车辆子系统随机振动能量最多,而传递到轮轨接触子系统上的能量最少;(2)车辆子系统与轮轨接触、轨道子系统的能量呈负相关,轮轨接触子系统与轨道子系统的能量呈强线性相关;(3)各子系统能量的关系不受轨道不平顺激励的影响,但是轨道子系统的能量随着车辆轴重的增大或轨下支承刚度、阻尼的减小而增大;(4)该研究结论可为轨道交通减振降噪设计提供一定的理论依据。     

地基刚度对三维非线性轮轨接触的动力影响

研究目的:为了进一步探明地基刚度对轮轨接触的影响,以轮轨接触三维实体非线性有限元模型为研究对象,采用瞬态动力学分析方法,在轨道不平顺的条件下研究地基刚度对轮轨接触的动力影响。研究结论:结果表明:(1)车轮的总位移主要是地基的弹性变形,在不平顺激励力的作用下,地基刚度对轮轨的位移、应力等影响较大,选取合理的地基刚度可以降低轮轨之间的应力;(2)通过分析列车速度和轮重对轮轨竖向位移、接触应力以及加速度的影响,得出合理的地基刚度为600~1 000 MPa/m;(3)本文所总结的轨道不平顺条件对轮轨接触的影响规律,以及车速、轮重、地基刚度对轮轨振动的影响规律对高速列车的地基和轮轨接触设计具有参考作用。     

横向有限条与无砟轨道板段单元的车轨系统竖向振动分析法

研究高速列车-板式轨道时变系统竖向振动。高速列车（以1动＋4拖为例）中的动车及拖车均离散为具有二系悬挂的多刚体系统。针对无砟轨道（以板式轨道为例）的结构特点,提出横向有限条与无砟轨道板段单元分析模型。考虑轮轨竖向位移衔接条件,基于弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则,建立了此系统竖向振动矩阵方程,采用Wilson-θ法求解。比较了钢轨与轨道板竖向位移的静、动态响应,结果接近。得出200 km/h车速下此系统竖向振动响应时程曲线,计算波形及量值均符合物理概念。分析车速及轨道高低不平顺对此系统竖向振动响应的影响,此系统竖向振动响应随车速及轨道高低不平顺的增大而增大。计算结果表明,本文提出的模型正确、可行。     

轨头不平顺对列车提速危害的计算机仿真研究

采用车辆-轨道耦合大系统的思想,将钢轨简化为弹性点支承有限长的欧拉梁、轮轨接触关系采用弹簧接触,建立出轮轨动力学模型.分析车轮以不同速度行驶过程中,受轨道低接头不平顺激励下轮轨相互作用垂向振动响应.并得出低接头不平顺对列车提速的影响.     

制动荷载作用下桥上无砟轨道动力响应分析

为研究制动荷载作用下桥上无砟轨道动力响应问题,建立车辆子系统模型和无砟轨道-桥梁子系统模型。根据高速列车制动减速度特性曲线确定列车制动力,利用Hertz理论求解轮轨力,通过交叉迭代法求解有限元数值方程。以4节编组的CRH2型动车组在桥上无砟轨道制动为例,进行系统动力响应分析。研究结果表明:轨道、桥梁结构的纵竖向位移和加速度均逐层递减,梁端处轨道结构的竖向振动比跨中处大;列车制动过程中列车速度逐渐减小引起轨道结构的竖向动力响应也减小;列车停车后,轨道结构和桥梁的纵向位移反向突变、纵向加速度突变,随后都有自由衰减的趋势;列车停车瞬间,列车和桥梁出现纵向最大振动。研究成果可为桥上无砟轨道的设计提供理论支持。     

轨道过渡段动力特性的有限元分析

运用有限元方法和Lagrange方程,建立列车-轨道-路基耦合系统动力分析模型,提出车辆单元和轨道单元,推导2种单元的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵,并用Matlab编制了计算程序.利用文中提出的车辆单元和轨道单元,考虑列车速度、路基刚度以及过渡段轨道不平顺和路基刚度综合影响因素对轨道过渡段动力特性进行分析.分析表明:过渡段路基刚度突变对钢轨垂向加速度和轮轨作用力均有影响,其影响随着列车速度的提高而增大;过渡段轨道不平顺和路基刚度变化2种因素同时存在对钢轨垂向加速度和轮轨作用力的影响非常明显,其峰值远大于1种影响因素引起的动力响应;列车速度、路基刚度以及过渡段轨道不平顺和路基刚度综合影响因素对车体垂向加速度的影响甚微,其原因是车体附有的一、二系弹簧阻尼系统起到了很好的减振作用.     

轮轨系统激励下列车-轨道耦合系统的振动分析

运用弹性系统动力学总势能不变值原理和形成矩阵的"对号入座"法则,建立了列车-轨道耦合系统的竖向振动方程。分析了车轮偏心和轨道随机不平顺对高速行车影响。研究表明:车轮偏心属于周期性激扰源,它将导致系统的周期性强迫振动;车轮偏心对钢轨和轨道板的竖向振动位移影响较小,而对轮轨之间相互作用以及系统各部件的振动加速度影响较大,且随着偏心距的增大,系统的动力响应将加剧;郑武高速试验段轨道随机不平顺幅值大约为4mm左右,其对系统动力响应影响较小,平顺性较好。     

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。