刚体与弹性半空间正向碰撞界面应力脉冲特征

通过对无限长圆柱体侧面与弹性半空间正向碰撞时的界面应力脉冲特征进行分析,基于圆柱体、接触界面以及弹性半空间的物理及几何参数,建立圆柱体的运动方程,得出圆柱体运动状态参数,推导界面及界面质点元应力脉冲表达式,揭示应力脉冲特征,研究成果可为有限边界的碰撞界面应力研究提供参考。     

螺栓失效对压剪复合型弹性车轮强度安全性影响

弹性车轮螺栓用以紧固轮芯和安装环,在工作过程中承受预紧力和拉伸载荷,其应力状态对弹性车轮的运行安全至关重要。通过建立弹性车轮三维有限元模型,模拟螺栓在螺栓载荷作用下的初始受拉状态,利用接触单元和目标单元模拟各部件之间的接触状态,设置过盈量模拟轮芯与安装环之间、橡胶与轮辋之间的初始过盈接触状态。参考国际铁路联盟标准UIC 510-5和欧洲标准EN 13979-1,计算分析螺栓失效对弹性车轮整体静强度的影响。研究结果表明,螺栓未发生失效时,车轮各部件的危险系数均不超过0.61;综合分析多种工况下轮芯、安装环、螺栓和橡胶块的最大Von-Mises应力,其应力均随螺栓失效个数的增加而增大;螺栓失效后,运行工况下轮辋的最大Von-Mises应力无明显变化;当5个螺栓发生失效后,轮辋、轮芯、安装环、螺栓和橡胶块的危险系数分别为0.27, 0.92, 1.01, 0.95, 0.40。所得结论可为轨道车辆弹性车轮静强度校核提供参考。     

移动荷载下高速铁路路基应力主轴空间旋转效应及规律

以直线段上高速铁路为研究对象,建立精细化的轨道-路基-地基系统非线性动力学仿真模型。采用接触对模拟底座板和基床表层的动力相互作用,采用材料非线性本构关系和三维黏弹性静-动力统一人工边界模拟列车运行前的静应力状态,依托高性能并行计算研究移动荷载下高速铁路路基中应力主轴的空间旋转效应及规律,并与半无限地基表面直接作用移动荷载的结果进行比较。结果表明:高速铁路路基中受载与非受载钢轨正下方相同深度单元的应力主轴在xy、xz和yz平面内均发生连续、同步的旋转,但旋转模式和强弱存在明显差异,均比半无限地基表面直接作用移动荷载的情形复杂;受载钢轨正下方单元的应力主轴旋转强度随深度增加而减弱;表面波对表层单元的应力主轴旋转有明显影响。     

跨座式单轨车辆碰撞安全性仿真研究

在碰撞仿真理论指导下，以重庆轨道交通2号线跨座式单轨车辆为研究对象，建立车辆结构有限元模型，参考车体及人体碰撞的评价标准，确定车辆碰撞初速度，模拟车辆与刚性墙正面碰撞过程，进行虚拟环境下车辆碰撞仿真分析，并对人体响应情况进行分析。     

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。     

接缝弱化后纵连板式无砟轨道温度效应研究

目前,纵连板式无砟轨道夏季高温胀板问题严重。高温产生的巨大温度应力导致轨道结构发生众多病害,其中,轨道板上拱尤为严重,已威胁高速列车的运营安全。为有效释放结构内部的温度应力,减少病害发生,通过建立设有弹性填充层的纵连板式无砟轨道计算模型,引入内聚力单元和混凝土损伤塑性本构,探讨两种节段长度及不同弹性模量下,整体温升作用时,宽窄接缝弱化对轨道结构应力、变形及损伤的影响。研究表明：(1)设置弹性填充层后,轨道板和接缝的纵向应力均得到一定程度释放,但会伴随着发生局部偏心和应力增加;(2)弹性填充层的设置会使接缝、轨道板和层间界面损伤产生的临界温升降低,结构损伤较大时,轨道板和接缝的应力释放会受到限制,并且弹性填充层附近也会产生一定上拱增量;(3)两种节段长度下,损伤和应力释放量均会随着弹性模量降低逐渐增大,因此,节段长度为4块板时,弹性填充层弹性模量选取建议高于1 775 MPa并低于3 550 MPa,节段长度为3块板时,弹性填充层弹性模量选取建议高于355 MPa并低于1 775 MPa;(4)两种节段长度下,随着弹性模量降低,轨道板和钢轨最大上拱增量逐渐增大,对于钢轨,两种节段长度下的...     

铁路桥限高防护架与超高车辆的碰撞分析

为提高铁路桥限高防护架的抗碰撞能力,保护铁路桥梁的安全,基于ANSYS/LS-DYNA对铁路桥限高防护架与超高车辆的撞击过程进行了非线性数值模拟,从变形、应力、荷载、能量等方面分析铁路桥限高防护架的破坏过程。荷载分析结果表明,碰撞力最大值与车辆初速度近似成正比关系,此关系可为设计碰撞力的取值提供参考;能量分析结果表明,系统损失的能量大部分被防护架吸收,说明其抗撞击能力有待提高;应力分析表明,最大应力通常发生在防护架上部横杆和支撑节点区域,如在上部横杆间增加斜向支撑,或者适当增加横杆壁厚,可提高防护架的抗碰撞能力。     

接触问题的余能原理及其在轮轨滚动接触研究中的应用

根据变分和应力虚功的概念推导一般有限线弹性体接触问题的余虚功原理，并分析其在轮轨接触研究中的应用，将轮轨接触问题分别看成无限半空间和有限体接触这样两个具有特殊边界的弹性力学问题，为进一步从数值方面精确分析轮轨接触斑提供理论依据。     

型钢混凝土界面试验研究及损伤分析

研究目的:既有关于型钢混凝土组合结构界面粘结关系的研究大多采用有限元模拟或利用推出试验的结果进行拟合分析,而理论研究多未考虑界面损伤对粘结的影响。为得到能真实反映界面粘结情况的粘结力模型,本文基于型钢混凝土推出试验结果,提出界面粘结力模型,并引入界面损伤的概念,分析界面破坏全过程的界面应力演化规律。研究结论:(1)不同试件界面极限承载力因界面粘结情况不同而存在差异,界面破坏后,混凝土对型钢的握裹力基本保持不变,且混凝土与型钢间的动摩擦系数为恒定值;(2)界面所处的状态可分为弹性、损伤及剥离三种状态,粘结力模型参数推荐取值为:界面粘结承载力0. 818 7 MPa,界面摩阻力0. 391 4 MPa;(3)全界面破坏过程将经历完全弹性阶段、弹性-损伤阶段、弹性-损伤-滑移阶段、损伤-滑移阶段、滑移阶段五个阶段;(4)在完全弹性阶段,粘结力的最小值出现在自由端附近而非自由端处;(5)本研究成果可为型钢混凝土组合结构设计中界面粘结关系及界面应力演变规律的确定提供参考。     

无碴轨枕板轨道沉降计算

本文介绍在计算方法的假定是将无碴轨板视为半空间的弹性地基梁，荷载上不仅考虑该轨枕板所受机车荷载的影响，而且还考虑相邻的有限轨枕板底受到的平均压应力的作用。通过一算例介绍了该方法的计算过程和结果，对计算结果作出评价。     

考虑土-结构相互作用的列车引起建筑物及地面振动分析

为研究由运行列车引起的建筑物及地面振动规律,本文建立列车-轨道-路基-周围地层-建筑物系统空间动力分析模型。在模型中,地基土-建筑物基础相互作用分为协调接触变形、弹性接触变形和非线性接触3种状况。计算3种接触状况下,运行列车引起建筑物及地面振动的动力响应规律。计算结果表明:在运行列车作用下,3种不同接触状况,货车引起土体及建筑物的振动大于客车引起的振动;考虑弹性接触和非线性接触时,能反映建筑物对振动波的反射,土体的振动比协调变形接触时要大;考虑非线性接触时土体与建筑物会产生能量的消耗,列车引起的建筑物的振动小于弹性接触变形和协调接触变形条件下的振动。本文建立的模型对由运行列车引起的建筑物及地面振动预测提供一定的帮助。     

明置基础扭转振动复合集总参数模型试验与理论的对比

根据基础振动弹性半空间理论的最新发展成果,推演出明置基础扭转振动复合集总参数模型.通过采用2种不同底面尺寸的块体模型基础,分别施加初速度使基础发生自由振动,将试验结果与采用明置基础扭转振动复合集总参数模型的计算结果进行比较.研究结果表明:试验结果与计算结果吻合;利用该模型可以容易地计算均质半空间上明置块体基础在扭转扰力...     

任意形状明置基础扭转振动复合集总参数模型

根据基础振动弹性半空间理论的最新成果,推导出一个计算明置基础扭转振动的复合集总参数模型.采用该模型对复杂形状的明置块体基础在扭转谐和扰力作用下的动力响应进行计算,并将振幅计算结果与采用由弹性半空间理论所得到的基础扭转振动刚度和阻尼公式(由大量试验、数值计算所证实)的振幅计算结果进行比较,结果表明:两者结采非常吻合,误差仅为3.13%.利用该模型可以容易地计算在扭转扰力作用下任意频率、任意泊松比和任意形状(不包括环型)的均质半空间上块体明置基础的动力响应.     

橡胶垫对隧道衬砌管片接触特性的影响试验研究

利用粘贴有橡胶垫的混凝土试件来模拟管片和橡胶垫,通过直剪试验分析了橡胶垫对隧道衬砌管片接触特性的影响。试验结果表明:混凝土与混凝土直接接触时剪切应力随剪切位移变化过程可分为弹性、塑性硬化和理想塑性变形3个阶段;混凝土试件粘贴橡胶垫后,接触面出现明显的软化变形阶段,橡胶垫在混凝土之间起到良好的缓冲作用,可以释放应力,延缓管片的失稳破坏过程。采用Archard非线性摩擦幂次准则描述了两种接触条件下接触面剪切峰值应力与轴向应力的关系,为类似接触问题剪切峰值应力的预估提供依据。     

正面斜碰撞下列车脱轨行为与机理研究

随着列车提速和高速化发展,列车运行安全性和可靠性保障要求愈发受到关注和重视。尽管列车具有一系列主动安全保障措施,但如果发生意外碰撞脱轨事故,将造成灾难性后果和巨大经济损失。为进一步揭示列车碰撞脱轨机理、提升列车碰撞被动安全性能,建立包含车体、转向架、悬挂系统及缓冲吸能装置的三编组列车碰撞有限元模型,考虑材料、几何和接触等典型的碰撞动力学非线性特征,仿真模拟正面斜碰刚性墙引起的车体结构动态响应与列车脱轨行为,讨论列车碰撞速度(36,50和72 km/h)、碰撞角度(30°～65°)和轮轨摩擦因数(0.1,0.2,0.3,0.4)等关键参量对列车碰撞脱轨行为的影响规律与机理。研究结果表明,车体头部界面碰撞力通过悬挂系统传递至轮对,引起轮轨纵向、横向和垂向接触力剧烈振荡,导致头车前、后转向架轮对均以爬轨/侧滚组合的形式脱离轨道,且轮轨横向力随着列车碰撞速度的增大显著增加;头车碰撞界面横向力随着碰撞角度的增大呈现先增大后减小的趋势,而纵向及垂向界面碰撞力均随着碰撞角度的增大而增大;较高的轮轨摩擦因数容易引起列车碰撞过程中车轮跳轨,但会抑制车轮爬轨行为。研究结果可为列车碰撞被动安全设计与脱轨防护...     

地铁车辆轮轨法向接触问题研究

轮轨法向接触是影响轮轨磨耗和滚动接触疲劳的关键因素。分析了赫兹接触理论以及Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论(精确理论),建立了地铁车辆轮轨接触有限元模型,计算不同轮对横移量下的轮轨接触斑形状和法向接触应力。计算结果表明:在踏面接触工况下,CONTACT的计算结果与有限元模型计算结果一致,而在轮缘接触工况下,CONTACT程序受弹性半空间假设限制导致计算结果与有限元模型计算结果相差较大;赫兹接触由于受接触斑内轮轨曲率为常数的限制,导致其计算结果与CONTACT和有限元模型计算结果相比有较大出入。     

含假人模型的跨坐式单轨车辆碰撞安全仿真分析

以跨坐式单轨车辆为例,开展了含假人模型的跨坐式单轨车辆碰撞仿真有限元建模;并对其在一定初速度下与固定刚性墙的正面碰撞过程进行计算机仿真分析,验证了车体的耐撞性能.同时,得出了碰撞过程中乘员的响应程度与伤害程度,即:假人头部HIC值为562 mm,胸部压缩量为38mm,人体损伤低于损伤标准,车辆结构安全性也符合要求.     

不同工况对制动闸片摩擦性能的影响

针对高速列车制动系统运行条件,采用1︰1制动动力试验台模拟低温造雪环境,进行不同制动压力和不同制动初速度下有无残砂或制动盘有碎屑的紧急制动试验,以及低温造雪环境下初速度250km/h不同制动低压力的持续制动试验。测试闸片的平均摩擦系数和制动过程中盘面的最高温度,并观察制动盘和闸片的表面状态。结果表明,紧急制动不同工况下,闸片的平均摩擦系数随着制动压力和制动初速度的升高呈曲折升高趋势,盘面最高温度也不断升高并在初速度160 km/h时趋于一致;无残砂工况下,连续致密的摩擦膜在制动初速度80km/h时形成,有残砂或制动盘有碎屑工况下在制动初速度120km/h时形成。低压持续制动时,闸片平均摩擦系数和制动盘表面温度受接触面带冰膜的摩擦膜影响。     

轴承和轮轴摩擦连接处的声信号传输过程的计算

本文介绍了声波通过轴承内圈和轮对车轴摩擦连接处进行传播过程的模型,并进行了计算。研究了能量的损失情况,这种能量损失是由于在不同的过盈量时,内圈与车轴之间界面上的能量通过能力受到限制,以及内圈一车轴界面由于处于应力状态的内圈金属弹性波速度与处于无应力状态的车轴金属的弹性波速度不同所引起的反射而造成的。在制订检查过盈程度的声波方法时就使用所研究的规律性问题,本文提出了有关的结论和建议。     

列车脱轨撞击U型梁动力仿真模拟及损伤分析

研究目的:城市轨道交通U型梁在极端状况下会受到列车脱轨施加的侧向撞击作用,从而导致结构损伤破坏,威胁行车安全。本文采用显式动力有限元软件建立列车-U型梁碰撞模型,对碰撞全过程进行仿真分析,探讨两者之间的碰撞作用机理,并将计算结果与相关规范报告进行对比,最后分析U型梁的碰撞损伤模式。研究结论:(1)根据列车-U型梁接触状态可将碰撞过程分为脱轨后自由运动、初始碰撞接触和后继碰撞接触三个阶段;(2)各个工况中列车的纵、横向碰撞力峰值均小于UIC规范建议值,横向碰撞力基本满足ACI报告建议值,列车减速加速度均接近或超过9.8 m/s2,大于ACI规范中建议的列车减速加速度值0.5g;(3)碰撞过程中车体动能绝大部分以摩擦形式耗散,初始动能较大的列车在单位时间内摩擦耗能较多,但其亦需更长接触摩擦过程使其停止;(4)列车减速过程中加速度越大,对于结构的损伤也就越严重,U型梁的碰撞损伤主要表现为翼缘混凝土剥落,腹板产生塑性应变,但结构整体未发生破坏;(5)本研究成果可为新建U型梁结构的防撞设计以及既有结构的防护措施制定提供参考。