基于导波速度的无缝钢轨应力检测方法

为提高无缝钢轨应力检测精度,基于半解析有限元方法,分析应力作用下的钢轨导波模态传播规律,提出最优导波模态的选取、激励与接收方法。利用希尔伯特变换及二维傅里叶变换计算目标模态群速度和相速度,提出二次加权修正方法,以降低阵列换能器单元数量对相速度计算精度的影响。以此为基础,建立不同频率导波模态的速度与应力关系,分析基于群速度、相速度的应力检测精度。研究结果表明:随着导波频率的增大,导波群速度的计算误差逐渐增大,而相速度计算误差受到的影响较小;以200 Hz低频激励导波时,需选用群速度作为钢轨应力检测参数,应力估计精度约为0.219 MPa;以2kHz中频激励或20kHz高频激励时,需选用相速度作为检测参数,应力估计精度分别约为0.638和0.012MPa。因此,在实际应用中需根据导波频率选择不同类型的速度作为检测参数估计钢轨应力。     

基于SAFE方法的钢轨梳状传感器激励特定模态导波研究

为实现在钢轨中激励特定模态的导波,采用半解析有限元(Semi-Analysis Finite Element,SAFE)方法建立钢轨的SAFE模型,推导沿钢轨传播导波的控制方程,计算导波在钢轨中传播的相速度和群速度;根据导波在钢轨中传播的相速度频散曲线确定梳状传感器的工作点,设计能够在钢轨中激励特定模态导波的梳状传感器。将设计的梳状传感器布置在5.5m长的60kg·m-1钢轨上,根据实测钢轨的回波信号端面波包计算的32和64kHz导波群速度分别为2 583和2 750m·s-1,与利用钢轨SAFE模型计算所得的理论群速度2 626和2 734m·s-1相比,分别只相差1.64%和0.59%,说明建立的钢轨SAFE模型计算精度高,设计的梳状传感器能够实现特定模态导波的激励。     

基于同步提取变换的钢轨踏面裂纹电磁超声表面SH波B扫成像检测研究

钢轨踏面在车轮的重复载荷作用下,极易产生滚动接触疲劳裂纹,并从轨头向下扩展,甚至导致断轨等重大安全事故,因此开展钢轨踏面裂纹高效准确的无损检测方法研究具有重要意义。对于钢轨轨头有限截面非规则几何体,无法采用解析法求解其频散曲线,采用Floquet-Bloch边界的有限元特征频率法,求解钢轨轨头类水平剪切导波频散曲线,在频散曲线的基础上,分析并确定电磁超声表面水平剪切波换能器的最佳检测频率。建立表面水平剪切波在含踏面裂纹钢轨轨头的传播有限元模型,研究表面水平剪切波在不同角度、深度的踏面裂纹上的反射及透射规律。为实现快速的钢轨踏面裂纹B扫成像检测且得到高信噪比的检测结果,实验对比同步提取变换和同步压缩变换对钢轨踏面检测回波的噪声滤除能力。结果表明：对单次检测回波应用同步提取变换消噪处理后,信噪比提高13.73 dB,比单次采集信号经同步压缩变换处理后的信噪比高4 dB。将同步提取变换用于钢轨踏面导波B扫成像检测,可以减小同步平均次数以满足快速检测的要求。     

钢轨长实体模型在不同频段的振动及传递特性分析

钢轨的振动与噪声问题以及一些钢轨病害是轨道交通中比较重视的问题,认清钢轨在不同频率下的真实振动特性是解决这些问题的关键。本文应用长实体模型研究钢轨在不同频率下的垂、横向振动与传递特性,对比其与钢轨梁模型在钢轨振动特性研究中的差别,给出能够准确表明钢轨振动传递特性的导纳及振型。研究表明:钢轨在小于钢轨共振频率时的振型类似于静弯变形,大于钢轨共振频率时钢轨振动呈现多波振型。随着垂、横向振动频率进一步增加,钢轨截面产生变形。高频时长实体模型能够真实地反映钢轨的实际振动特性,钢轨Euler梁和Timoshenko梁模型适用截面未发生变形前的垂向振动分析,梁模型无法反映钢轨于轨头处横向激励引起的扭转变形,计算结果与实体模型有差别。     

地铁波磨下胶垫频变对轮轨高频振动的影响

研究目的:为研究地铁钢轨波磨条件下扣件胶垫频变特性对轮轨系统振动响应的影响规律,本文首先测试并表征地铁扣件橡胶垫板的频变力学特性,然后建立地铁车辆-轨道垂向耦合动力学频域分析模型,并以某地铁实测钢轨波磨数据作为激励输入,计算和分析地铁扣件胶垫频变特性对轮轨系统高频动力响应的影响。研究结论:(1)在双对数坐标系下,扣件胶垫刚度(阻尼系数)随激振频率呈近似线性正相关(负相关);(2)考虑胶垫频变特性后,除钢轨振动加速度外,轮轨系统在波磨诱发频率范围内的动力响应均显著减小,但钢轨振动响应主频仍然在波磨诱发频带;(3)胶垫频变特性会增大轮轨系统在35～90 Hz以及700 Hz以上频段的振动响应,因此在预测地铁环境振动和高频轮轨噪声等问题时应考虑扣件胶垫频变特性;(4)本研究结论可为地铁钢轨波磨条件下轮轨系统的准确动力评估提供理论与试验依据。     

高速道岔尖轨弹性波频散特性研究

高速道岔尖轨弹性波频散特性研究对道岔伤损检测以及揭示弹性波作用下钢轨裂纹动态扩展机制具有重要意义.基于半解析有限元方法,对于尖轨跟端60D40钢轨和CHN60钢轨,求解得到频散曲线,并结合波结构对比分析两种钢轨的频散特性;对于尖轨尖端由60D40钢轨铣削加工而成的变截面钢轨,求解不同位置断面的频散曲线.结果表明,频散特...     

钢轨的振动及其模态分析

通过对钢轨进行模态分析来研究钢轨的振动.对比分析了不同刚度扣件下钢轨的自振频率.通过研究钢轨自振情况下的应力分布来寻找更好的轨道减振措施.结果表明:扣件刚度越大钢轨的自振频率越大,但是变化不大;钢轨振动时其轨腰处应力较大,尤其是扣件位置.因此,研究通过在钢轨上采取措施来实现减少轨道振动这一方面的课题时,建议应将重点放在研究减少钢轨轨腰的振动上.     

基于钢轨模态振动的车轮高阶多边形研究

基于线路动力学试验数据,分析了具有高阶规则车轮多边形磨耗车辆转向架各部件振动水平及振动传递关系,给出车轮多边形磨耗引起转向架异常振动典型的频率特征和多边形振动对相邻车轮的影响。基于铁木辛柯梁理论及传递矩阵法,推导转向架对钢轨作用时两轮对范围内钢轨模态振动方程,分析了钢轨模态振动特性,讨论了边界条件与温度对钢轨模态振动的影响。分析了引起车轮多边形化的振动频率的来源,利用哈大线、武广线的枕跨距离计算得到钢轨第三阶垂向弯曲主频分别与各自车轮多边形振动频率重合,为车轮多边形机理分析提供支撑。     

高速铁路三维轮轨瞬态滚动接触-冲击模型参数研究

为进一步研究车辆轨道接触特性和钢轨损伤,采用显式有限元法建立适用于三维轮轨瞬态滚动接触分析的有限元模型,将轮轨间黏着系数、牵引系数、列车速度等考虑在内,研究不同模型参数对轮轨瞬态滚动接触计算的影响。通过详细对比分析扣件系统、钢轨长度、轨道板及参数对轮轨瞬态接触解的影响,并结合车轮模态分析结果,引入不同波长的轨面几何不平顺以表征激励频率,明确了全轮对模型的适用范围,为高速轮轨滚动接触问题的精细化建模提供参考。结果表明:(1)添加扣件系统可使滚动接触在更短时间内趋于稳定,钢轨长度并不能影响瞬态模型的计算结果,轨道板结构更能使瞬态求解趋于稳定;(2)模拟轮轨冲击的工况下,需建立全轮对模型求解,以保证结果的可靠真实性。     

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。     

青山长江大桥主航道桥结构动力特性分析

研究目的:青山长江大桥主航道桥是目前世界最大跨径全漂浮体系斜拉桥,桥塔为目前世界最高的A形桥塔,主梁为目前长江上最宽的钢箱梁,其动力特性是结构受力特性的关键,与常规斜拉桥相比具有独特之处。本文采用ANSYS建立空间有限元计算模型,对青山长江大桥主航道桥成桥状态、施工阶段最大单悬臂状态结构动力特性进行分析,从而为进一步进行结构抗震、抗风性能分析研究奠定基础。研究结论:(1)在成桥状态时,结构前3阶振型分别为纵飘、对称侧弯、对称竖弯,对应周期分别为14.22 s、6.25 s、4.78 s;在最大单悬臂状态时,结构前3阶振型分别为侧弯、竖弯、竖弯,对应周期分别为8.4 s、4.44 s、2.93 s,两种状态均属于长周期结构;(2)成桥状态和最大单悬臂状态时,结构侧向刚度均偏弱,对横向风致振动响应敏感;(3)结构采用A形桥塔、超宽主梁、空间双索面提高了结构的扭转频率和抗扭刚度,增强了结构的抗扭稳定性,边跨设置辅助墩提高了结构频率和刚度;(4)在成桥状态时,结构的高阶振型中出现了振型的耦合现象;在最大单悬臂状态时,结构的低阶振型中即出现了振型的耦合现象;(5)本研究成果可为大跨度全漂浮体系斜拉桥结构抗震、抗风设计提供依据。     

扣件刚度对钢轨振动特性的影响研究

准确合理的扣件刚度参数对轨道结构设计至关重要,目前的研究尚未明确扣件刚度和钢轨振动特性之间的关系。依据单自由度隔振系统的计算公式,结合国内某地铁线路实测数据,重点研究现场钢轨垂向和横向的固有频率、振型和振动传递特性,有限元仿真和现场锤击测试充分验证了理论计算。在此基础上,通过钢轨整体的共振频率反演得到现场扣件的动刚度。该研究可为轨道减振器的仿真计算和优化设计提供依据。     

地震作用对有砟轨道桥上无缝道岔纵向受力与变形影响分析

桥上无缝道岔是在高速铁路、艰险山区铁路上铺设跨区间无缝线路不可避免的技术难题,同时跨越震区时,道岔结构自身处于双层薄弱环节之中。根据地震作用下有砟轨道桥上无缝道岔梁轨相互作用原理,建立地震作用下岔-桥-墩动力非线性有限元模型,分析地震波频谱特性、地震动加速度峰值、岔区阻力、梁体温差等因素下的有砟轨道桥上无缝道岔地震作用响应规律。研究结果表明:无缝道岔约束作用较大提高了桥梁结构的低阶自振频率,而且改变了其振动形态;地震波频谱特性和加速度峰值大小对桥上无缝道岔响应影响显著,地震荷载波频越靠近结构主频,加速度峰值越大,桥上无缝道岔受力和变形越大;在钢轨温变较高,又同时考虑地震荷载效应时,钢轨强度和线路稳定性均得不到保障,建议对跨越震区的桥上无缝道岔设计时检算地震荷载与钢轨、梁体温变共同作用时的钢轨纵向力以及道岔联结件受力、关键位置相对位移等。     

基于ANSYSWorkbench的汇流排夹口模态分析

由于刚性悬挂接触线夹持在汇流排夹口。受线路、轨道、受电弓性能及牵引操纵等多种因素的影响,刚性悬挂产生的振动使接触线脱槽的问题日渐突出。在三维Catia软件中建立汇流排模型,并将汇流排模型无缝导入ANSYS Workbench中,最后,利用ANSYS Workbench有限元分析软件,计算出汇流排的5阶固有频率和振型,并绘出各阶振型模态图。计算结果表明,汇流排工作频率在1907.1 Hz附近时,汇流排动态性能较差,易因共振而引发安全事故。     

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。     

胶轮导轨电车滚振试验台有限元分析

胶轮导轨电车滚振试验台是研究胶轮导轨电车轮轨关系的重要平台,激振单元是试验台的核心部件。以胶轮导轨电车滚动振动试验台的激振部分为研究对象,利用UG建立三维模型,并将其导入到ANSYS中进行有限元分析,分析试验台激振部分在最大载荷下的合位移、等效应力和等效应变的等值线云图,以及前5阶固有频率及其相应的振型。分析结果表明:伺服液压缸的存在可以提升试验台的结构特性;试验台的1阶固有频率远离激振频率;通过增加调整垫铁的数量可以提高系统的固有频率。分析验证试验台结构设计的合理性,分析数据为试验台结构的优化提供参考依据。     

周期性三维轨道结构弹性波耦合与转换

为了研究周期性三维轨道结构中弹性波传播规律,采用波有限元方法建立结构元胞动刚度矩阵,基于Bloch定理求解结构中弹性波波数和特征向量,得到其频散曲线,进一步结合弹性波叠加方法,计算无限长三维轨道结构响应.对比平面半轨道结构模型,三维轨道结构中频散曲线数量增加一倍,出现结构非对称波模态.此外,三维轨道结构中存在明显的弹性...     

高速铁路调频约束阻尼钢轨的降噪性能

为研究同时采用约束阻尼降噪和动力吸振2种措施的调频约束阻尼钢轨在高速运营条件下的降噪性能,利用有限元法建立钢轨-吸振器有限元模型,分析了谐振式动力吸振器关键参数对钢轨振动特性的影响,并建立试验段进行实车试验。研究结果表明:谐振式动力吸振器的谐振块质量不宜小于3.0 kg,弹性体弹性模量宜为1.0~3.0 MPa,弹性体阻尼宜为7.5~15.0 kN·s/m;调频约束阻尼系统可在较宽频域内降低钢轨竖向和横向振动,抑制以800~1 400 Hz为主频的高速铁路钢轨振动,在630~1 600 Hz频域降噪效果显著。     

轨道交通 U 梁温度梯度效应研究

为研究轨道交通 U 梁的温度梯度效应,整理并总结目前国内既有项目对高架 U 梁进行的温度监测模式及 研究结果,结合实体有限元模型计算分析,得出 U 梁在各温度梯度模式下的温度应力及变形值,并提出可应用于 工程设计的 U 梁温度梯度模式。研究结果表明,温度梯度荷载工况下的 U 梁纵向正应力值在设计正应力值中占 比相对较大,而横向应力和局部变形差相对较小;轨道交通线路走向大体呈东西向时,高架 U 梁运营后的腹板竖 向温度梯度建议采用指数函数,底板竖向温度梯度建议采用折线函数,研究结果可为相关工程设计提供参考。     

城轨交通中三轨系统有限元模型及其动力特性

建立了由钢铝复合轨、绝缘支架、支撑卡爪和支架底座组成的三轨系统的有限元模型,计算了其动力特性,分析了下部桥梁结构振动的影响,为轨道的磨耗磨损研究及集电靴与接触轨的动态受流仿真的进一步研究建立基础。研究得出,三轨系统前十阶的自振频率范围与桥梁结构的自振频率相差较大,两者不会发生共振。