公路车桥耦合振动响应计算方法对比研究

使用有限单元方法,分别建立了桥梁结构的振动计算模型和车辆的振动计算模型,考虑车桥接触点的位移连续,分别提出了考虑桥梁全自由度的车桥耦合振动模型和使用桥梁振动模态的模态综合计算模型。将桥梁结构的振动响应计算转化为求解模态广义坐标,并结合车辆振动与桥面的耦合,建立结构模态广义坐标和车辆振动自由度耦合的系统方程,使用Newmark-β数值积分方法对时变耦合系统进行求解。为了验算方法的有效性和可靠性,分别计算了平面梁在集中力作用下,空间板结构在整车模型作用下的振动响应,研究结果表明,使用模态综合法求解公路桥梁车桥耦合振动响应的结果可靠,并有很高的计算效率,该方法具有广泛的适用性。     

高速列车车体可靠性参数灵敏度分析方法对比研究

以某型高速列车车体为研究对象,建立车体参数化有限元模型,将车体的材料属性、几何尺寸和载荷大小等参数设为随机变量,基于概率分析方法,通过统计分析得到其分布参数,分别基于蒙特卡洛和响应面数值模拟方法,求解车体的参数灵敏度.分析结果表明:在所选随机变量中,车体底架板材1、板材4和板材6的板厚尺寸对车体关注部位应力影响显著,设计过程中应对该变量进行严格控制;使用蒙特卡洛法和响应面法得到的灵敏度结果一致,其中响应面法缩减了求解时间;采用概率设计方法代替传统的定值设计方法,可以为高速列车车体的可靠性设计提供新的途径.     

简支梁桥车桥耦合振动分析

车桥振动问题是车辆和桥梁两个动力系统耦合振动问题,为掌握桥梁结构动力响应特性,必须研究不同车辆模型对桥梁结构动力响应的影响。基于车桥耦合振动原理,采用Matlab语言编制车桥耦合振动专用程序。采用该程序对一座简支梁桥的动力响应进行分析,对不同车辆模型作用下的计算结果进行比较,结果表明不同车辆模型对桥梁的动力响应存在差异,且对不同动力响应的影响程度也不同。     

轨道客车随机振动精细分析方法

建立了轨道客车结构随机振动精细分析计算方法和工程应用系统.将求解随机振动的虚拟激励法与分体耦合式振型分解法相结合,大幅提高了结构随机振动分析计算的效率,使车辆动力学计算模型与静强度分析模型的规模有相同量级;有效地处理了比例阻尼和非比例阻尼共存同一模型的复杂阻尼体系,保证数值计算精度.可采用有限元法建立车辆整体结构动力学精细模型,以轨道不平顺谱作为输入激励载荷,进行随机振动仿真计算,除了将车辆运行平稳性的评价精度从"体"提高到"点"外,可以直接进行结构随机应力计算和疲劳寿命评估,从而形成车辆结构全生命周期的完整仿真体系.开发了工程应用系统,并通过工程实例证明方法和应用系统的有效性.实例给出25T型客车详细的结构随机振动响应分布,表明利用该系统可以揭示轨道客车结构任意部位的动态行为和减振效果,扩展了现行车辆系统动力学功能.     

交通载荷作用下的高速公路桥梁应力

交通载荷是影响高速公路桥梁安全性的主要因素,随着运输需求的提高,车辆超载现象逐渐增多.近年来屡次出现重车压垮桥梁的事故,引起了社会广泛关注.结合国内外研究现状,分析了高速公路交通载荷特性,基于概率统计法,提出了高速公路桥梁交通载荷的标准值;以某桥梁为研究对象,基于交通载荷的设计参数,建立了交通载荷离心力数值模型,得到了离心力分布函数,可为高速公路桥梁结构的设计和施工提供有益的参考.     

拟“车-桥耦合系统”的动态近似分析法

目前对于车体通过桥梁的动力响应问题,通常是将车辆子系统和桥梁结构耦合为一个系统,同时进行分析.文中提出一种近似但具有足够精度的方法用以计算车-桥耦合系统的动力响应.将车-桥耦合方程分解为两个部分,忽略作用在桥梁上的由移动车辆产生的惯性力项,只剩下移动力项.计算出桥梁在移动力作用下的响应,并把此响应作为车体动力响应的激励源反馈给车体,从而计算出车体的响应.从数值计算的角度,采用MATLAB编程并与车桥耦合系统精确的数值解作对比,验证了轻车过重桥情况下本文方法的可行性.通过分析表明,此方法能避免车-桥耦合系统计算时的庞大运算.     

车辆侧向响应特性的多参数影响分析

建立了基于非线性轮胎侧偏特性的四轮车辆数值模型,考虑了轮胎垂直载荷的侧向转移,用该模型计算了车辆转向角阶跃输入下的侧向速度和横摆角速度响应,计算结果表明车辆质心纵向位置对车辆侧向响应特性具有较大的影响,而车辆转动惯量和轮间距对车辆侧向响应特性几乎没有影响.车辆响应特性随车辆质心纵向位置约呈指数关系变化,车辆质心越向前移,横摆角速度的响应也越快但超调量也随之增加.     

公路桥梁抗震设计方法及实例分析

基于公路桥梁抗震设计要点及常用抗震设计方法,以某连续刚构桥为依托,通过数值计算对桥梁结构自振特性、不同等级地震作用下的桥梁结构响应进行了分析,阐述了桥梁抗震设计方法的应用过程。研究表明:该桥在E1及E2地震动作用下,主结构均处于弹性工作状态,主结构强度满足抗震设计需求;矮墩受力更为不利,针对类似桥梁,需要更为关注矮墩的抗震性能;该桥在E2地震作用下,主梁的位移略大于伸缩缝的最大伸缩量,建议进一步优化伸缩缝选型。     

桥塔遮风效应对风-车-桥耦合振动的影响

为考察横向风作用下桥塔附近风场突变对行车安全性和舒适性的影响,采用计算流体动力学(CFD)数值模拟方法对大跨度悬索桥桥塔区域桥面风场进行了仿真分析.通过组合节段模型风洞试验,测试了车辆沿不同位置的轨道运行时车辆、桥梁的气动力系数.基于不同位置轨道处的风场分布和测试的气动力系数,采用自主研发的桥梁结构分析软件BANSYS,对车辆沿不同位置轨道通过桥塔区域时的动力响应进行了对比分析.研究结果表明,桥塔附近桥面风场变化剧烈,存在局部加速效应;桥塔处风场突变效应对车辆横向响应的影响明显.     

基于MATLAB的公路桥梁车桥耦合数值计算方法

应用达朗贝尔原理推导了两自由度车辆和桥梁的振动平衡方程,提出用龙格-库塔法和NEWMARK法来求解车桥耦合振动问题。针对NEWMARK法提出了求解分离的车辆和桥梁运动方程组的分析策略:在每一个时间步长内进行迭代计算并将桥梁的振动平稳状态作为收敛条件。利用MATLAB结合两种数值计算原理分别编制了车桥耦合计算程序。算例分析表明:两种方法的计算精度都较高;采用NEWMARK法求解时,在每个时间步内迭代计算至桥梁振动平稳状态是有意义的。     

单车荷载作用下T型刚构桥车致振动响应研究

根据车辆-桥梁结构振动特性,研究单车移动荷载作用下,T型刚构桥考虑桥面不平顺影响时桥梁振动响应及冲击特性。通过将T型刚构桥离散为三维梁单元有限元模型,车辆简化为九自由度整车模型（考虑车辆俯仰及侧翻）,桥面不平顺激励采用实测和数值模拟（根据国标GB／T7031—86给定功率谱密度曲线采用三角级数叠加法模拟）两种激励;以车轮与桥面相互接触处保持不脱离为条件,建立车辆与桥梁耦舍振动方程,利用模态综合法并结合Newmark—β数值积分方法进行迭代求解。以乔木湾乐安河T型刚构桥为工程背景,研究了单车荷载下,最不利位置处的冲击系数随桥梁结构阻尼、行车速度、桥面不平顺及车辆特性的变化关系,并将数值模拟结果与实测结果对比。研究结果表明,实测冲击系数与数值模拟的冲击系数较好吻合,乐安河大桥冲击系数满足04《桥规》要求。     

连续梁桥车桥耦合振动分析的数值解法

将连续梁桥简化为二维的平面梁单元模型,车辆简化为五自由度二分之一车模型,分别建立车辆与桥梁振动方程;该方法以车轮接触处位移协调条件与相互作用力的平衡关系相联系,建立车辆与桥梁耦合振动方程,利用模态综合叠加法并结合Newmark-β积分格式进行迭代求解.通过本文数值解与解析方程的Runge-kutta法解进行对比,证明该方法确实有效可行.由于桥梁振动响应主要由若干低阶振动模态起控制作用,对于大跨度复杂桥梁,这就大大降低了矩阵的维数,提高了计算速度,且该方法对于不同类型桥梁具有很强的通用性.     

基于ANSYS-MATLAB联合仿真的大跨铁路悬索桥行车分析

针对大跨铁路悬索桥结构复杂、几何非线性显著的特点开展行车动力分析,提出了一种ANSYS与MATLAB实时交互、联合仿真的列车-轨道-桥梁耦合振动分析方法; 在ANSYS内建立悬索桥和轨道结构精细有限元模型,在MATLAB内基于多刚体动力学理论组装车辆质量、阻尼和刚度矩阵,并将轨道结构动力微分方程系数矩阵导至MATLAB中; 分别建立悬索桥子系统、轨道-车辆子系统的动力微分方程,然后基于异步长策略,以大时间步长在ANSYS内考虑主缆几何刚度,并通过更新结构刚度矩阵来求解悬索桥子系统振动响应,以小时间步长在MATLAB内考虑轮轨空间接触关系,并通过施加轨道不平顺来求解轨道-车辆子系统动力响应,2种计算软件通过实时交换数据实现子系统之间的耦合求解; 通过分析某单跨铁路简支梁桥的实测数据验证了该方法的正确性,并利用该联合仿真方法对主跨为660 m的某铁路悬索桥进行了行车动力计算。分析结果表明：随着车速的提高,桥梁动力响应增大,行车安全性与平稳性趋于恶化; 在车速不大于180 km·h^-1的工况下,该悬索桥能够满足行车安全性要求; 在列车动力荷载作用下,不考虑悬索桥几何刚度会导致跨中竖向位移产生7.4%的计算误差; 考虑几何刚度、不更新桥梁刚度矩阵导致的桥梁与列车响应计算误差均不超过1%,能够满足工程计算精度需求。可见,提出的联合仿真方法可用于大跨柔性铁路桥梁的行车动力分析。     

基于车致振动的桥梁损伤识别

基于移动车辆引起的桥梁振动,采用模式识别的聚类分析方法对桥梁结构损伤定位及损伤程度估计进行了研究．应用车致振动理论计算不同预设损伤位置和损伤程度的桥梁结构在相同移动车辆作用下的动力响应,记录其在测试位置的响应,形成损伤模式库;将在测试位置实际测得的响应与损伤模式进行比较,并利用聚类分析的近邻法识别桥梁结构是否出现损伤、损伤位置及其程度．为直观有效地表示识别结果,分别以损伤位置和损伤程度为独立坐标轴,用等值线和响应云图的方式展示比较结果．以移动荷载匀速通过某简支梁为例,验证了该方法的有效性和鲁棒性．数佰模拟结果表明．该方法能够有效地估计桥梁结构的榀作付罟和榀作程摩．     

桥梁柔性对中低速磁浮车辆平曲线通过的影响

为研究桥梁柔性对中低速磁浮车辆在曲线半径为70.0 m的平曲线上运行时的动态响应影响,对通过柔性桥梁和刚性轨道时的车辆动态响应开展了对比分析. 首先,建立了122个自由度的车辆空间动力学模型,模型中考虑了具有主动悬浮与被动导向特性的二维磁轨关系;其次,利用三维铁木辛柯梁参数化建模方法,建立了由柔性桥梁组成的平曲线有限元模型;最后,通过悬浮力的联系形成了车辆-曲线桥梁系统刚柔耦合动力学模型. 研究结果表明:17.0 m跨径的圆曲线桥梁的自振特性和动位移响应满足相关标准要求;与车辆通过刚性轨道相比,柔性桥梁作用下的车辆系统动态响应更为剧烈,这种差异在车辆系统的横向动态响应上体现明显,而悬浮间隙和车体垂向加速度的响应差异较小,考虑刚性轨道时将高估车辆的曲线通过能力;柔性桥梁和刚性轨道两种模型计算得到的电磁铁最大横向位移不超过6.0 mm,悬浮间隙可在额定值的 ± 4.0 mm内波动,表明在开展对比计算的工况下车辆具有良好的曲线通过性能.      

车桥耦合振动理论在桥面不平度研究中的应用

将车桥系统视为两个分离的子系统,应用达朗贝尔原理推导了双轴密贴车辆模型和桥梁的运动平衡方程,采用分离迭代法对车桥振动问题进行数值求解。利用MATLAB结合NWMARK法计算原理编制了车桥耦合计算程序,对该程序的准确性进行了验证,在此基础上研究了桥面状况和车速对车桥振动的影响。结果表明:该程序的计算结果准确可靠,桥面状况对车桥振动影响很大,车速对桥梁振动的影响取决于与其对应的车辆对桥梁作用力的频率。     

随机车流作用下斜拉桥主梁位移首超动力可靠度研究

将随机车流模型在桥梁工程的确定性分析扩展至建立动力响应的概率模型,提出了基于位移首超破坏准则的随机车流作用下斜拉桥主梁位移首超动力可靠度分析方法。某大跨度斜拉桥在车辆荷载作用下主梁跨中位移的数值分析结果表明了该方法的适用性。研究结果表明:随机车流模型包含了车辆的概率分布特征,结合桥梁的有限元数值分析可建立桥梁动力响应的概率分布模型;随机车流作用下斜拉桥的位移响应为非零均值的高斯平稳随机过程,符合基于首超准则的Possion分布假定;车辆荷载作用下斜拉桥位移首超失效事件主要是由于密集运行车辆导致,密集运行车辆的占有率对桥梁动力可靠度影响显著。     

车桥耦合振动理论在桥面不平度研究中的应用

将车桥系统视为两个分离的子系统,应用达朗贝尔原理推导了双轴密贴车辆模型和桥梁的运动平衡方程,采用分离迭代法对车桥振动问题进行数值求解.利用MATLAB结合NWMARK法计算原理编制了车桥耦合计算程序,对该程序的准确性进行了验证,在此基础上研究了桥面状况和车速对车桥振动的影响.结果表明:该程序的计算结果准确可靠,桥面状况对车桥振动影响很大,车速对桥梁振动的影响取决于与其对应的车辆对桥梁作用力的频率.     

超高车辆与立交桥梁碰撞的高精度非线性有限元仿真

超高车辆和立交桥梁之间的碰撞事故屡见不鲜，深入研究车一桥碰撞机理，为提出车一桥碰撞桥梁损害计算方法奠定基础，具有重要的现实意义。基于高性能非线性有限元，对超高车辆一立交桥碰撞进行了高精度仿真分析，并对不同车速导致的桥梁损害情况进行了讨论。分析结果可为深入研究车一桥碰撞问题提供参考。     

基于桥梁动力响应的车-桥接触力识别方法

将桥梁划分为欧拉梁单元建立桥梁的振动方程,基于拉格拉日原理建立汽车的振动方程,根据接触点处的接触力将汽车和桥梁系统耦合在一起。求解汽车-桥梁系统耦合方程得到桥梁节点动力响应,由广义正交函数和模态叠加原理确定模态响应及其导数,用正则化方法得到稳定的识别结果。数值模拟结果表明,该方法用于识别车桥接触力是有效的、可行的。