高速列车—无砟轨道—桥梁耦合系统振动特性分析

根据高速列车—无砟轨道—桥梁系统运动的特点,建立了适合该问题动力学分析的新型车辆单元和轨道—桥梁单元,运用有限元方法和Lagrange方程,推导了两种单元的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵。整个列车—轨道—桥梁系统被离散为车辆单元和轨道—桥梁单元,其中一节车辆离散成一个车辆单元,轨道—桥梁系统离散成四层梁单元。最后通过一个实例计算对整个系统进行垂向振动特性分析。     

铁路直线轨道空间振动时变模型

针对无限长轨道上车辆一轨道耦合振动响应特性,建立了铁路直线轨道结构空间振动模型。采用有限单元法,将轨枕和钢轨离散为线性粘弹性点支承梁单元,运用弹性系统总势能不变值原理及形成矩阵的“对号入座”法则,建立了模型的振动方程组,采用轨道不断“增加和缩减”方法,使得模型的质量、阻尼和刚度矩阵及荷载列阵具有时变特性。运用既有的车辆动力学模型和实测参数,计算了轨道长度为4km的车辆一轨道耦合振动响应值,钢轨位移、轮对摇摆力以及车体加速度等指标计算幅值与实测幅值接近,验证了该模型的可行性。     

平衡悬架钢板弹簧离散梁单元模拟方法误差修正

为研究平衡悬架钢板弹簧离散梁单元模拟模型的精度,建立了3种典型重载车辆常用平衡悬架模型.同时采用平衡悬架刚度经典计算方法,计算3种悬架的刚度.对比分析离散梁单元法和经典方法垂向刚度计算结果,发现离散梁单元法模拟结果较理论计算结果大55%左右.分析误差产生原因,提出误差修正方法.修正之后的模型垂向刚度与理论刚度相比,偏差在5%以内.该修正方法为离散梁单元建模的推广应用,同时也为建立符合实际力学性能的钢板弹簧模型提供了条件.     

车辆-高架桥耦合系统竖向振动分析车辆轨道新模型

针对CRTS Ⅱ型无砟轨道-桥梁轨道结构的特点,建立了列车-无砟轨道-桥梁耦合振动新模型。整个系统离散成一个多节点的轨道单元和具有二系悬挂的动轮单元,基于有限元方法和Lagrange方程,建立列车-无砟轨道-桥梁时变系统竖向振动方程。该模型具有程序编制容易、计算效率高的特点。作为应用实例,计算得出了两车通过时随机不平顺条件下轨道桥梁结构的动力特性,说明新模型正确可行。     

轨道结构空间振动时变模型建立方法的研究

基于既有的轨道模型，采用有限单元法，运用弹性系统总势能不变值原理及形成矩阵的“对号入座”法则，建立了轨道结构空间振动的振动方程组。采用轨道不断“增加和缩减”技术，使该模型的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和荷载列阵具有时变特性，从而便于计算无限长轨道上的车辆-轨道耦合振动。以法国TGV中速动车为例，速度取200km／h，计算了12km轨道上的车辆-轨道耦合振动动力响应值，列出了部分响应曲线图。该模型的建立为开展长时间的车辆-轨道耦合随机振动奠定了基础。     

道碴厚度对轨道结构的影响

建立了车轮－轨道－道碴为一体的有限元动力计算模型，在这个计算模型中，钢轨被离散成平面梁单元，道碴是作为附加自由度包含在梁单元中。这种处理方法，使得作为附加自由度的道碴可在单元水平上进行刚度，阻尼和质量的迭加从而极大地降低了总刚度矩阵的带宽。     

移动荷载作用下连续粘弹性基础支承无限长梁的有限元分析

把无限长梁、连续粘弹性基础和移动荷载视为一个系统，并将该系统进行有限单元离散，梁单元的弯曲形函数采用Hermitian三次方插值函数，利用弹性系统动力学总势能不变值原理，得到单元的刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵和节点荷载列阵，建立该系统的振动方程组；再用Wilsonθ法求解该振动方程组，得到梁中点的位移时程曲线。举例分析了基础的粘弹性特性和梁的抗弯刚度对梁动力响应的影响。计算结果表明：增大基础的弹性系数、阻尼系数和梁的抗弯刚度都有利于减小梁的动力响应。     

不同无砟轨道类型对车辆动力学特性影响的数值分析

利用车辆-轨道耦合动力学理论,建立了不同类型无砟轨道垂向耦合动力学模型,分别计算了整体式无砟轨道、板式无砟轨道以及浮置板式无砟轨道在列车运行下的振动响应,分析比较系统振动响应受无砟轨道道床类型、车速、不平顺波深、扣件刚度和板下弹簧刚度的影响。结果表明,系统振动响应均随车速的提高而增大;车速、不平顺波深、扣件刚度和板下弹簧刚度对整体道床式无砟轨道系统振动响应影响最大,板式无砟轨道次之,对浮置板式无砟轨道系统振动响应影响最小;相对而言,浮置板式无砟轨道动力特性最好,其次为板式无砟轨道,整体式无砟轨道的动力特性最差。     

基于有限-无限元法的CRTSⅢ板式无砟轨道系统动力参数敏感度分析

CRTSⅢ型板式无砟轨道是具有完全自主知识产权的中国无砟轨道品牌,针对CRTSⅢ型板式无砟轨道车辆-轨道耦合系统动力参数的确定与优化问题,根据CRTSⅢ型板式无砟轨道系统结构特点,运用车辆-轨道耦合动力学理论,采用时域动力有限元方法,并引入无限单元法消除边界效应,建立CRTSⅢ型板式无砟轨道车辆-轨道耦合系统垂向振动模型,并编制MATLAB计算程序,利用单因素敏感性分析法分析了结构参数对车辆-轨道系统动力响应指标的敏感度,从而可为CRTSⅢ型板式无砟轨道结构动力参数的确定与优化提供理论支撑。     

轨下垫板参数对轨道结构垂向振动影响研究

以往高速铁路研究的轨下结构过于简化,且只考虑了轨下弹性垫板单一变量对轨道动力学的影响,而不能综合考虑刚度和阻尼参数对轨道结构动力学性能的影响.在车辆-轨道耦合系统动力学理论的基础上,运用动力学软件SIMPACK建立高速车辆-板式无砟轨道模型,通过对原有单层轨道拓扑优化后设置分层,分析轨下弹性垫板刚度和阻尼对板式无砟轨道结构动力学性能影响.研究结果表明:轨道结构细化分层分析与实际高速铁路板式轨道结构更加相符,能够更准确的反映轨道局部结构对轨道垂向动力学性能的影响;垫板老化后的刚度增大加剧轮轨相互作用,降低轨道垂向位移,减弱钢轨的振动,同时导致轨道板振动加强;垫板失效后的阻尼减小同样增强轮轨相互作用,使得轨道垂向位移和振动加速度增大;轨下垫板刚度的敏感参数顺序为轨道板垂向加速度、钢轨垂向加速度、轨道板垂向位移、钢轨垂向位移和轮轨力.     

移动荷载作用下板式轨道的有限元分析

用有限元法分析了板式轨道在移动荷载作用下的动力响应。视板式轨道为如下模型:钢轨为离散粘弹性支点支承的长梁;轨道板为连续粘弹性基础支承的短梁。视板式轨道及移动荷载为一个系统,运用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的"对号入座"法则建立该系统的振动方程组。研究了移动荷载的速度、钢轨的类型和钢轨支点的弹性系数对钢轨及轨道板动力响应的影响。算例结果表明:在其他参数相同的情况下,增大钢轨支点的弹性系数,钢轨的动力响应减小;使用较重型的钢轨有利于减小钢轨和轨道板的动力响应;随着移动荷载速度的提高,钢轨和轨道板的动力响应增大。     

浮置板轨道减振垫的刚度测试与评价

为了科学测试与评价浮置板轨道减振垫刚度,为浮置板轨道静动力学特性分析提供准确的计算参数,通过有限元仿真计算减振垫测试样品的荷载施加范围,应用配备温度箱的力学试验机并结合温频等效原理测试了减振垫静刚度以及5.0、10.0、20.0、30.0 Hz频率下的动刚度;在得到减振垫准确力学参数的基础上,对比分析了采用传统4.0 Hz参数与真实频变参数对浮置板轨道固有频率以及导纳特性的影响. 研究结果表明:浮置板轨道变形、静力学分析以及底座板弯曲变形应分别采用3种不同荷载范围下的静刚度;浮置板轨道调谐频率,安全性以及减振效果应分别采用3种不同预压条件下的动刚度;无（有）车载条件下聚氨酯减振垫4.0 Hz参数得到的浮置板固有频率为27.0 Hz （15.5 Hz）,而考虑频变刚度的真实固有频率为31.5 Hz （18.3 Hz）;采用4.0 Hz减振垫参数分析浮置板振动传递特性将会低估浮置板轨道固有频率,高估隔振频带及隔振效果;当采用浮置板轨道真实一阶固有频率对应的减振垫参数,其导纳计算结果与考虑减振垫真实频变特性基本一致.      

轨道动力学模型与数值方法研究进展

随着列车速度的提高和轴重的增加,车辆与轨道之间的相互作用更加激烈.深入开展轮轨动态作用机理研究,对高速重载铁路安全平稳运行具有重要意义.文章回顾了轨道动力学模型的研究进展,重点介绍了五种轨道动力学模型及算法,即车辆-轨道-路基非线性耦合系统交叉迭代算法,新型车辆单元和轨道单元模型,列车轨道系统动态分析的移动单元法,移动...     

浮置板下声子晶体隔振器带隙特性研究

为了提升浮置板轨道的减振效果,阻碍浮置板垂向振动能量向轨下基底的传播,提出了一种基于声子晶体局域共振机理的浮置板轨道隔振器. 运用有限元方法研究了声子晶体隔振器的局域共振带隙特性,并验证了带隙频率范围内声子晶体隔振器对振动的抑制作用;计算了声子晶体隔振器的垂向刚度,建立了三维声子晶体隔振器浮置板轨道有限元模型;计算了整体结构的力传递率与基础加速度响应,并与传统钢弹簧浮置板的计算结果进行了对比. 研究结果表明,声子晶体隔振器存在声子晶体局域共振带隙,对50～150 Hz频带内的振动有抑制作用;声子晶体隔振器与传统钢弹簧垂向静刚度相近,均为6.0 kN/mm;保留了钢弹簧浮置板轨道的低固有频率隔振性能,并且在50～120 Hz频带具有带隙抑制特性,在51 Hz附近力传递率可减小10 dB左右;基础加速度响应在51～150 Hz频带内明显小于普通钢弹簧浮置板轨道,其中51～60 Hz频带内基础加速度相比钢弹簧浮置板轨道减小30%左右. 因此声子晶体隔振器有助于提高浮置板轨道的减振性能.      

减振CRTS Ⅲ型板式无砟轨道路隧过渡段动力分析

为了设置合理的过渡段长度,最大限度地减小路基与隧道之间变形差对行车安全性和舒适性的影响,基于有限元方法和车辆-轨道垂向耦合动力学理论,建立了列车-轨道-路隧过渡段垂向耦合动力分析模型.以钢轨挠度变化率、车体加速度和轮轨力等作为评价指标,对路隧过渡段动力特性进行分析,提出了路基与隧道内同时设置过渡段时,减振橡胶垫层的刚度建议值和布置方式,以及仅在隧道内设置过渡段时过渡段长度的建议值.研究结果表明:过渡段橡胶垫层的刚度可采用分级过渡的方式,减振橡胶垫层的刚度比不宜超过2;在过渡段,以车体振动加速度为控制指标,从保障行车安全和减小过渡段维修工作量的角度出发,建议隧道内过渡段的设计长度为25~30 m.      

75kg／m钢轨12号菱形交分道岔强度及轨道刚度分析

运用有限单元法建模,分析扣件刚度对菱形交分道岔心轨和尖轨强度的影响以及沟槽开设方式对板下胶垫应力的影响,同时研究准静态轮载作用下轨道变形的合理性。结果表明,尖轨和心轨的强度及板下胶垫的强度均能够满足使用要求;菱形交分轨道刚度的均匀性能满足列车运行速度在120km／h及以下的使用要求。     

板式轨道动力响应分析方法

为了计算在高速车辆移动荷载作用下板式轨道的动力响应,将轨道板视为线性粘弹性连续支承梁,将钢轨视为线性粘弹性点支承梁,将钢轨和轨道板统一划分为有限单元,基于车辆-轨道耦合动力学理论,利用弹性系统动力学总势能不变值原理,建立了高速列车-板式轨道的垂向耦合动力学方程,计算了车辆通过板式轨道钢轨焊接区短波不平顺时的轮轨动力学响应。仿真结果表明:与其他成熟仿真方法相比较,响应变化趋势与幅值基本一致,表明该方法可行。     

双块式无砟轨道-箱梁结构振动与噪声参数影响分析

以跨度为32m的简支高架箱梁为研究对象,利用有限元法与间接边界元法相结合,分析了德国低干扰轨道谱激励下不同参数对双块式无砟轨道高架箱梁结构噪声的影响.结果表明:扣件刚度对钢轨的振动位移和箱梁底板的振动加速度影响较大,对高架箱梁结构噪声的影响主要在32Hz以下;行车速度对钢轨的振动加速度和箱梁底板的振动位移影响较大,对高架桥梁结构噪声的影响比较强烈,而且距离线路中心线距离越远的场点,其所受车速影响越大.     

基于有限元法的柔性体变形实时模拟

利用有限元方法对柔性体进行了物理建模,实现了柔性体的实时变形模拟.采用单元刚度弯曲的方法,不断纠正单元节点力,使得单元体在较大旋转时仍能得到正确的变形.从旋转矩阵的角度分析了利用单元刚度弯曲时单元发生逆转的原因,并提出了对逆转单元的处理方法.并通过重心坐标,把表面模型与四面体网格模型相对应,使得柔性体在不丢失表面细节的同时又能实现实时的变形模拟.     

路基上CRTSⅡ型板式轨道裂纹影响分析

为分析路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道轨道板开裂对车辆和无砟轨道结构的影响,根据弹性地基梁理论、有限元方法和轮轨系统耦合动力学理论,建立了弹性地基梁体的有限元模型和车辆-轨道-路基垂向耦合振动模型.采用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA,分析了轨道板开裂对轨道结构的静、动力学性能和行车性能的影响.分析结果表明:轨道板开裂对轨道结构受力的影响较小,不影响行车的平稳性和安全性;随列车速度增大和轨道板开裂,均会增大轮轨作用力和轨道结构的动力响应;在裂缝地段,应采取减振、隔振、控制轨道几何不平顺等措施降低轨道结构的动力响应;轨道板开裂将影响无砟轨道的耐久性和使用寿命,应及时修补.