风力作用下悬挂式单轨车辆-桥梁 系统耦合振动仿真研究

悬挂式单轨交通系统主梁通常为下开口钢箱梁,结构刚度小,车辆在风力作用下易发生横向摆动,从而 影响结构安全性和乘车舒适性。以某旅游专线项目 30 m 跨度简支段为工程背景,进行不同风速和不同车速下的 动力响应仿真分析。采用有限元软件建立桥梁模型,采用多体系动力学软件建立车辆和轨道模型,将车辆、轨道 系统和桥梁系统作为一个完整的系统进行联合仿真计算。采用 CFD 软件计算桥梁和列车的静力三分力系数和风 荷载,并将静风力叠加到模型中形成风-车-桥耦合振动模型。计算结果表明,桥梁的横向动位移和竖向动位移随 风速的增大而增大,横向位移变化更加明显,但随车速的增大,动位移变化不明显;车辆的平稳性随风速和车速 增大而逐渐降低,车辆的横向平稳性对平均风更加敏感;所有工况中,车辆的竖向和横向 Sperling 系数最大值分 别为 2.49 和 2.62,表明运行车辆具有良好的平稳性。基于通用有限元软件和多体动力学软件进行风车桥耦合动力 分析的联合仿真方法是可靠高效的;研究成果可为悬挂式单轨交通系统的抗风设计与应用提供参考。     

列车纵向-垂向碰撞动力学耦合模型建模与研究

为研究列车碰撞响应机理,基于多体动力学方法,建立包括轨道子系统、轮轨关系子系统、车钩缓冲器-防爬器子系统以及车辆子系统的列车纵向-垂向平面碰撞动力学模型。轨道子系统中将钢轨假设为离散点支撑的Timoshenko梁;轮轨关系子系统考虑了大蠕滑情况下轮轨切向力的计算;钩缓-防爬器子系统中考虑了车钩和防爬器转动以及动态因素对吸能特性的影响;车辆子系统中考虑了车端点头运动和吸能变形模式以及悬挂系统的非线性特性影响。采用显示数值积分方法,编制了该耦合系统的动力学仿真程序,并进行时域求解。将数值求解结果与有限元仿真和试验结果进行比较,验证了列车纵向-垂向碰撞动力学耦合模型的正确性。论文研究成果为进一步研究车辆主要结构参数对碰撞性能的影响规律、改善列车碰撞动力学行为以及新型耐撞性车辆设计提供了理论依据和仿真手段。     

考虑车体柔性的货车动力学仿真

应用柔性多体系统动力进行货车动力学仿真研究。以货车Ｃ６２Ａ和罐车Ｇ６０为对象，把转向架和轮对作为刚体，车体作为柔性体，对车体建立有限元模型并进行模态分析，用超单元概念通过界面凝聚功能对柔性车体进行预处理，组成刚－柔耦合的车辆动力学模型并进行动力学仿真计算，通过与刚性系统模型的运算结果进行对比，分析车体的柔性效应对安全性的影响，仿真计算是采用有限元分析软件ＮＡＳＴＲＡＮ（ＭＳＣ）和多体系统动力学软件     

车辆-轨道系统时-空随机分析模型

车辆-轨道耦合系统具有时-空域的随机特征。为了更好地研究车辆-轨道系统的时-空随机演化过程,提出车辆-轨道系统时-空随机分析模型。该模型将车辆-轨道耦合系统分为车辆子系统、轨道子系统及轮轨界面系统,可考虑车辆系统、线路系统参数的随机性及轨道随机不平顺的时变性,同时采用数论法实现不同动力参数的组合,用概率密度演化方程解决系统激励输入与响应输出的概率密度传递问题。最后,采用该模型分析了不同变异系数下的车辆-轨道系统时-空随机振动,分析中假定系统动力参数服从正态分布,并基于实测数据进行轨道不平顺的时-空随机模拟。结果表明:依据本文模型得到的计算结果符合物理概念;由于动力参数的随机变异性直接与时间相关,使得利用此随机分析模型,探讨系统动力响应的随机演化机制、制定考虑长时效的系统动力指标限值及养修计划成为可能。建议完善车线系统参数的基础检测资料。     

城际铁路常用跨度简支箱梁频率限值研究

根据目前城际铁路桥梁设计相关资料,拟定城际铁路常用跨度简支箱梁的截面尺寸,建立有限元模型,进行结构的竖向基频计算,根据设计荷载效应大于等于实际运营车辆荷载效应的原则,得出各跨度简支梁实际运营车辆最大容许动力系数。应用车辆-桥梁耦合振动分析理论,进行动力仿真分析,得到各跨度简支梁在实际运营车辆下的实际动力系数。通过比较得出,按照国际铁路联盟规定的桥梁结构频率下限值设计,能够满足结构安全及舒适性要求。     

大跨度钢桥板式无砟轨道的动力性能研究

以金沙江公铁大桥为例,建立车辆-轨道-桥梁系统耦合动力学计算模型,采用通用大型有限元动力学分析软件,对车辆、轨道结构和桥梁动力特性进行计算及分析。提出车辆、轨道结构和垂向加速度主要受轨道不平顺影响,受桥梁结构影响较小,桥梁结构主要影响车辆和轨道结构的垂向位移,跨中处的车辆和轨道结构的垂向位移最大等结论。     

超高速磁浮车-轨道梁竖向耦合振动分析

针对超高速磁浮车-轨道梁竖向耦合振动的问题,提出一种基于轨道梁有限单元模型和磁浮力比例-积分-微分(PID)控制器模型的分析方法。为提高计算效率,整体耦合系统以磁浮力为界,分为车辆和轨道梁2个子系统,车-梁之间的振动耦合则通过PID控制器计算的磁浮力来完成。组成耦合系统的子系统分别采用振型分解法和四阶龙格库塔法计算其振动响应。为验证方法的有效性以及了解超高速磁浮车桥耦合振动特性,使用Mathematica编程进行超高速磁悬浮车-轨道梁的耦合振动分析,得到运行速度为600km/h的车辆和轨道梁的动力响应。研究成果可为超高速磁浮轨道结构设计和关键技术研究提供参考。     

车辆作用下板式轨道动力分析模型及验证

基于车辆-轨道耦合动力学理论;采用多刚体动力学理论建立车辆系统动力学方程;以梁-板-板有限元模型模拟板式轨道;通过轮轨关系将车辆系统和板式轨道系统联系在一起;建立车辆-板式轨道耦合动力学模型。采用德国高速低干扰谱作为轮轨激励进行板式轨道动力学仿真分析。车辆参数按200 km/h动车组选取;轨道参数参照遂渝线板式轨道结构选取;计算多种车辆运行速度下板式轨道的动力响应;并与遂渝线无砟轨道综合试验段动力学测试结果对比。仿真计算结果与试验数据吻合较好,表明该模型正确可靠,可用于研究车辆荷载作用下板式轨道的动力学问题。     

车下设备连接参数对车体振动特性影响研究

通过采用模态叠加法建立其对应的广义坐标方程,建立车体和车下设备系统耦合振动的简化模型,仿真分析某高速列车车下设备与车体系统的耦合振动特性。针对设备质量、安装刚度及安装阻尼等参数的变化,通过仿真计算得出了设备结构参数对系统振动响应的影响曲线。根据数值分析结果,对车体及车下设备减振设计提出了一些措施。     

高速铁路大跨度钢管混凝土拱桥车桥耦合振动仿真分析

以鸭池河桥为工程背景,建立车-桥系统耦合振动分析的数值仿真模型。利用大型通用有限元软件ANSYS建立桥梁的动力分析模型,并计算其空自振特性。通过多体动力学软件SIMPACK对于CRH3动车组模型进行高精度仿真,结合SIMPACK软件和ANSYS软件,建立车桥耦合振动仿真系统,输入轨道不平顺和轮轨关系进行车桥耦合振动计算。车桥耦合振动分析结果表明:桥梁具有足够的刚度,振动状态良好;车辆运行安全性可以得到保障,舒适性指标为"优良"。该桥的车桥耦合振动计算结果为今后类似桥梁设计提供了借鉴,同时也验证了联合仿真的可行性和便利性。     

单悬浮架多控制器耦合磁悬浮系统动态特性研究

介绍交互使用有限元分析软件和控制系统仿真软件实现弹性体与多控制器耦合结构的磁悬浮系统仿真方法。利用该方法研究弹性悬浮架的机械解耦作用。在控制系统仿真软件中建立磁悬浮系统刚性部件的动力特性模型以及悬浮控制器反馈模型,同时使用有限元技术建立弹性悬浮架模型,通过二次开发语言编程实现弹性悬浮架动力响应的有限元分析全过程,用C 语言编程实现仿真程序调用有限元分析程序的接口,从而实现整个悬浮系统的仿真。仿真过程证明,弹性悬浮架能够消除或减弱悬浮控制器之间的耦合作用。     

弹性长枕无砟轨道动刚度垂向耦合动力及能量分析

本文探索弹性长枕无砟轨道动刚度的变化规律、轨道动力刚度改变对车辆-轨道耦合系统中各构件动力响应及其与车辆、轨道子系统中能量(动能、势能)变化的关系。利用车辆-轨道耦合及哈密顿原理,列出耦合系统总动能、势能和阻尼做功方程并作一阶变分,按对号入座法得出耦合系统总质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵,再用Wilson-θ法求解微分方程。通过计算结果分析得出:轨道垂向动刚度与车速的变化规律;扣件刚度、枕下支撑刚度、道床板下(路基)支撑刚度各自对轨道动刚度的影响程度及其与耦合系统中各构件垂向位移、加速度之间的关系;车辆、轨道子系统势能(动能)与轨道动刚度之间的关系,势能(动能)也可作为评价轨道振动的依据。     

基于子结构法的重载凹底平车底架的固有动态特征分析

基于有限元分析,本文研究重载凹底平车底架弹性体的振动模态以及模态阶数的选取对车辆系统动态响应的影响。通过引入超单元,建立弹性体在模态坐标上的动力学方程,经过坐标变换得到物理坐标系上的方程;建立凹底架的有限元分析模型,计算分析其固有动态特征;同时,采用子结构法缩减处理凹底架有限元模型,建立有动态特征的凹底架弹性体模型,使描述凹底架的自由度总数减少,同时也保证计算的精度。对凹底架子结构超单元模型,计算分析振动模态,并与其有限元模型的模态结果进行比较。结果表明:子结构法的计算精度高,能满足车辆系统结构振动响应分析的要求。通过计算凹底架模态阶数对车辆系统动态响应的影响,得出选取凹底架的前8阶模态是合适的,有足够高的计算精度。     

集包第二双线铁路大黑河4号大桥动力特性分析

集包第二双线铁路大黑河4号大桥为系杆拱桥,主体采用钢管混凝土结构.采用大型结构有限元分析软件建立三维模型,分析桥梁自振特性;从车-桥系统运动方程、动力性能、车辆走行性能等方面对车-桥动力响应计算结果及性能进行分析和评价;对德国ICE-3型动力分散独立式高速列车以不同速度通过桥梁时的动力响应和车辆走行性能进行数值计算.根据计算结果对桥梁结构和运行车辆安全性作出评价,为改进同类拱桥设计和结构提供参考.     

临时铁路便桥的动力特性分析

应用MIDAS软件建立有限元模型,计算临时铁路便桥的振动特性,分析其结构自振频率及振形。采用车桥耦合振动分析软件VBC2.0,对列车通过临时铁路便桥时引起的车辆与桥梁结构耦合振动进行数值仿真分析。通过分析和计算临时铁路便桥动力响应位置的横向振幅、横向加速度、竖向位移和竖向加速度表明,脱轨系数、轮重减载率、轮对横向力、车体竖向和横向加速度的最不利计算结果能够基本满足相关规范要求,可以保证列车安全运行。     

基于OpenSEES的车-轨-桥快速仿真分析技术

针对车-轨-桥耦合系统建模效率低下的问题,采用客户端-服务器原理,在OpenSEES单一平台中实现了车-轨-桥系统快速仿真分析.其将车辆、轨/桥两子系统在OpenSEES软件中建模并封装成服务器,各服务器之间地位相等,无主次之分;轮轨接触关系被处理成客户端协调器;客户端协调器与服务器通过网络通讯技术进行实时逐步数据交互.从而无需编程即可在OpenSEES平台实现车桥耦合振动分析.数值算例表明:该模拟方法能够将OpenSEES软件强大的非线性及地震分析功能快速应用于车-轨-桥耦合问题求解,是一种实用方便、简单易学的车-轨-桥耦合振动分析方法.     

基于分离迭代和耦合时变的列车—轨道—桥梁耦合系统高效动力分析混合算法

为提高列车—轨道—桥梁耦合系统动力分析的计算效率,基于耦合时变法及分离迭代法,提出了1种混合算法。该算法将列车—轨道—桥梁耦合系统分解为车辆—轨道子系统和桥梁子系统。其中,车辆—轨道子系统在每一时间步需根据车辆位置对系统刚度系数矩阵进行更新,具有时变的特性;桥梁子系统的系统动力系数矩阵在整个动力分析过程中保持不变;车辆—轨道子系统与桥梁子系统通过钢轨与桥梁间作用力的平衡迭代实现耦合。利用朔黄重载铁路32m简支梁桥现场试验数据与由混合算法计算得到的分析结果进行对比,验证了混合算法的可行性。采用耦合时变法和混合算法分别计算列车通过蒙华重载铁路黄河龙门大桥的动力响应,结果表明:采用相同的时间积分步长时,2种方法拥有相同的计算精度,但混合算法比耦合时变法具有更高的计算效率,求解耗时降低了75%。     

重载列车40m简支钢板梁桥运营安全性分析

运用有限元方法建立了车辆模型(轴重23 t、25 t和30 t)和40 m简支钢板梁桥模型,利用基于模态叠加法的车桥耦合分析软件VBC2.0对车桥耦合振动进行了分析研究,以评定重载列车通过40 m简支钢板梁桥时的运营安全性。     

基于ABAQUS软件的二维车辆-轨道耦合模型

针对城市轨道交通轮轨系统特点,基于ABAQUS软件建立了10个自由度的车辆-轨道二维有限元计算模型,实现了考虑短波不平顺轮轨耦合的仿真计算。通过与SIMPACK软件和既有文献所建模型对比,从轮轨力、车厢位移、钢轨位移等方面验证了模型的正确性。选用浮置板轨道作为应用算例,给出了地铁B型车在车速20 m/s下的系统动力响应,并分别进行了时域与频域分析。此外,将轨道不平顺波长划分为5种工况,对轮轨系统的振动响应进行了时域与频域分析,得出了轨道不平顺波长各波段的影响范围。     

轨道动力学层状梁模型与算法中的几个问题

研究目的:轨道结构层状梁模型由于模型简单,被广泛应用于轨道动力学及车辆-轨道耦合系统动力学分析中。简化的轨道结构层状梁模型能否反映半无限空间上实际轨道结构的变形规律和动态特性,运用轨道结构层状梁模型得到的车辆和轨道结构动力响应精度如何,这些问题还未见系统研究。本文通过建立车辆-轨道结构层状梁非线性耦合系统动力学模型,构建运用交叉迭代法分别独立求解车辆和轨道结构动力学方程的显示算法,对比分析轨道结构层状梁模型与轨道结构三维块体单元模型的计算结果,以及轨道结构层状梁模型与轨道结构半无限空间模型计算结果的差异,分析轨道结构层状梁模型在车辆-轨道耦合系统动力学分析中的适应性。同时,还对比分析交叉迭代法与传统的耦合方程算法在求解车辆-轨道耦合系统动力响应时的计算效率、计算精度和算法特点。研究结论:(1)采用层状梁轨道模型模拟轨道结构是可行的,计算结果具有良好的精度,能够满足工程问题的分析要求;(2)交叉迭代法相对于传统的耦合方程算法计算效率更高,精度更好,用时更省,程序设计更容易,不仅适用轮轨线性接触分析,而且适用轮轨非线性接触分析;(3)通过引入松弛因子对轮轨接触力进行修正,可加快交叉迭代算法...