基于格林函数法的车辆—轨道垂向耦合系统随机振动分析

视钢轨为弹性欧拉梁(Euler梁),建立离散支撑弹性轨道模型,并采用格林函数法得到全频域范围内轨道上任意点处的频率响应;结合高速车辆模型,视车辆和轨道系统为线性弹簧阻尼系统,轮轨接触为线性刚性接触,采用基于虚拟激励法的轮轨接触多点激励,以真实轨道谱为输入,计算车辆—轨道垂向耦合系统的随机振动响应,并分析不同高速轨道谱和车速对车辆—轨道垂向耦合系统随机振动的影响。结果表明:采用格林函数法可快速求解无限长离散支撑弹性轨道模型的频响特性;分析振动频率在15 Hz以上的车体及构架振动时,采用离散支撑弹性轨道模型较传统的刚性轨道模型更为准确;计算车辆—轨道垂向耦合系统的振动能量时,在15~60Hz的中频区域内,采用离散支撑弹性轨道模型得到的计算结果要高于传统的刚性轨道模型,而在高频区域内则相反;车辆—轨道垂向耦合系统的随机振动响应对轨道谱类型和车速均较为敏感。     

线路随机不平顺对车辆—轨道耦合系统动力响应分析

利用有限元法，建立了车辆－轨道耦合系统动力计算模型。在这个模型中，系统被分解为上部结构和下部结构两部上。上部结构为附有二系弹簧系统的整车模型，考虑车体和转向架的沉浮振动和点头振动。下部结构为轨道，钢轨被离散为双层弹性基础上有限长度的梁。对两系统分别用迭代法单独求解。轮轨间的耦合通过轮轨间的相互作用力来实现。同时，将轨道高低不平顺视为平衡各态历经随机过程。运用该模型，对不同线路等级和不同列车速度条件下车辆－轨道系统的垂南随机振动了计算，在时域和频域内对系统响应进行了分析。     

弹性轮对车辆-轨道垂向耦合系统动力学研究

建立了弹性轮对车辆－轨道垂向耦合系统动力学模型，推导了弹性轮对车辆－轨道垂向耦合系统振动微分方程。通过输入脉冲型激扰，对弹性轮对车辆－轨道垂向耦合系统进行了轮轨力及轮轨接触应力的动力学仿真，并与刚性轮对车辆的计算结果进行了比较和分析。     

铁道车辆在刚性及弹性轨道模型上的振动模拟分析

应用车辆－轨道耦合动力学原理，对铁路车辆在实际弹性轨道基础上的垂向振动形态进行计算机模拟分析，并将模拟结果与假想的刚性轨道基础上车辆振动模型的计算结果加以综合对比，从而探明传统车辆振动模型与车辆－轨道耦合振动模型分析结果之差异，指出传统模型的适用范围，使铁道车辆振动分析更加切合实际。     

车辆—轨道系统横向耦合动力学的研究

本文基于车辆－轨道系统耦合动力学的基本思想，对横向耦合动力学进行了分析研究，从车辆，轨道、轮轨接触整体系统的角度，建立了车辆－轨道系统横向耦合模型，并编制了相应的计算机仿真实施软件包，用以分析高速、重载运输条件下车辆和轨道的横向相互作用，为车辆和轨道的轨道的最佳设计，最佳管理提供科学依据。     

地铁车辆轮轨耦合振动特性研究

轮轨耦合振动模态是系统固有属性,掌握轮轨间的耦合振动特征对减少车轮不圆磨耗和钢轨波磨有必然性和现实性。文章建立了详细的地铁车辆轨道耦合动力学模型,利用扫频分析方法,研究了车辆和轨道参数对轮轨耦合振动特性的影响。结果表明,车辆和轨道间的轮轨耦合振动主要表现为轮轨间P2耦合振动和由转向架轮对间钢轨局部变形引起的高频轮轨耦合振动,如轮对间钢轨的1阶、2阶和3阶弯曲振动等。轮轨P2耦合共振频率主要在30～100 Hz,钢轨受扣件刚度和簧下质量影响最为显著,随着扣件刚度的增加,轮轨P2耦合共振幅值和频率均增加。钢轨“Pinned-Pinned”振动和转向架轮对间钢轨的3阶弯曲模态是影响轮轨高频耦合振动的主要因素。当振动频率小于1 000 Hz时,轮对间钢轨的3阶弯曲是轮轨高频振动的主要驱动力,其主要受轴距、扣件阻尼和轨枕间距影响较为显著。     

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。     

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...     

直线电机轨道交通系统车辆-板式轨道垂向耦合动力学模型的研究

以广州直线电机轨道交通系统板式轨道结构为例, 结合有限元理论以及直线电机的特点,建立了直线电机运载系统下的垂向耦合动力模型(包括车辆系统模型、轮轨关系模型、钢轨模型、板式轨道模型等)及其振动微分方程,并通过动力仿真试验,分析该系统的动力特性以及验证该系统的耦合动力模型。     

曲线半径对车辆轨道耦合接触系统垂向振动的影响分析

为探明曲线半径对车辆、轨道及轮轨接触的影响,以轮轨非线性接触为研究对象,建立车辆-轨道耦合的整体有限元模型,采用扩展拉格朗日接触算法,在钢轨高低不平顺的激励下,以80 km/h的车速模拟不同曲线半径对车辆-轨道耦合系统的垂向振动影响。研究结果表明:小曲线半径对车体舒适和构架振动不利;曲线半径几乎不影响轨道的垂向振动,但在曲线轨道设计时应考虑内外轨横向加固措施。从轮轨非线性接触的角度探讨了轮轨脱离甚至爬轨的原因。     

车致“站桥合一”高速铁路客站随机振动分析

为研究轨道不平顺引起的列车-"站桥合一"客站耦合系统随机振动特征,提出基于虚拟激励法和有限元方法的车辆-轨道-客站耦合系统竖向随机振动模型。其中,车辆采用具有二系悬挂的质量-弹簧-阻尼系统模拟,轨道-客站采用有限元方法模拟,轮轨关系采用可以考虑轮轨相对变形的线性Hertz接触模型。采用虚拟激励法将轨道不平顺精确地转化为一系列竖向简谐不平顺的叠加,将非平稳随机振动问题转化为确定性的时间历程问题,推导车辆-轨道-客站耦合时变系统随机振动计算模型。以天津西站为例,对列车高速通行引起的客站各楼层随机振动特性进行分析,并讨论车致振动随车速的变化规律。研究结果表明:客站竖向位移主要受车辆轴重引起的确定性激励控制,轨道不平顺引起的随机激励对其影响很小,而竖向加速度则受两种激励的双重影响;车致随机振动在客站结构内衰减迅速,同一楼层平面内,确定性响应和随机性响应衰减速率相近,沿楼层高度方向,随机性响应衰减速率稍大于确定性响应;车速变化对客站位移影响较小,但对加速度影响显著,其中加速度均方根随车速增大而显著增加。     

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。     

弹性短轨枕空吊对车辆-轨道系统的动力学影响分析

弹性短轨枕减振轨道是城市轨道交通所采用的经济有效的减振措施之一,但由于轨枕空吊的影响,近年来在工程中的用量急剧下降。采用车辆-轨道耦合动力学理论,建立可以考虑单侧轨枕空吊的车辆-轨道空间耦合振动模型,对城市轨道交通弹性短轨枕轨道轨枕空吊引起的车辆、轨道系统的振动响应进行理论分析。结果表明,弹性短轨枕空吊对钢轨扣件、轨枕的动力学影响最为显著,其次是轮轨力,对车体振动的影响为最小。若出现2根以上轨枕的连续空吊,则钢轨扣件系统受力会超出设计允许范围。通过轮轨力或车辆振动参数对轨枕空吊不易检测或识别。     

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。     

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。     

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。     

轨道结构随机振动

在车辆、轨道竖向振动模型的基础上建立了随机振动分析理论，并通过计算实例给出了轮轨接触力功率谱和轨下基础动力及加速度功率谱。分析结果表明了本文的方法和理论的有效性。最后，本文对发展轨道结构随机振动的研究工作提出了建议。     

车辆随机振动的协方差分析方法

随着车辆行驶速度的提高，旅客舒适度和行车安全性受到损害。为了有效分析这一问题，在车辆动力学的基础上引入激励成型滤波器和感觉成型滤波器，将“路－车－人”三者耦合成为一个整体动力学系统，建立完整的理论计算模型，对轨道不平顺，线性及非线性车辆模型及振动对人作用产生的感觉进行综合分析。轨道几何不平顺为平稳的正态分布和各态历经的随机变量。用多刚体系统动力学推导车辆系统运动方程。以协方差分析法在时域进行理论建模分析。引入感觉成型滤波器产生输出信号以评这振动对人体反应程度。通过求解里雅普诺夫方程直接得出有关重要参数的方差值。因为是求解线性代表方程组，计算速度快，免去频率分析法需要对谱密度函数进行积分的困难，适用于非线性及时变系统的分析，适于应用现代控制理论进行车辆系统动态特性（包括舒适度及安全性）的控制，对多输入和多输出实定量分析与综合性能控制，可有效分析高速车辆动力学特性。     

轮轨空间耦合振动分析模型及其应用

合理处理了轮轨系统中振动的各种耦合关系，采用无限元方法消除了模型的边界效应，成功地建立了轮轨垂向－横向非线性空间耦合振动时变模型，并简要研究了轨道三角坑及复合不平顺的动力特性。     

车辆—轨道系统缩尺模型振动试验研究

通过车辆—轨道系统1:20缩尺模型振动试验,对系统的动力学性能进行研究.研制了1:20二系悬挂的缩尺铁道车辆和轨道系统模型;在对车辆和轨道系统模型进行参数测试和计算的基础上,进行了车辆模型的运行试验,了解系统的动力学响应.结果表明,缩尺模型与实际尺寸的车辆—轨道结构系统之间在动力学性能方面存在一些差距,但可以对系统作定性的和一定的定量研究.为我国进一步开展轮轨系统的缩尺动力模型试验提供参考.