高速铁路轮轨噪声理论计算与控制研究

轮轨噪声是铁路主要的噪声源。针对高速铁路轮轨噪声辐射问题,综合运用车辆—轨道耦合动力学理论与噪声辐射理论,建立高速铁路轮轨噪声预测模型,应用数值仿真的方法研究高速铁路轮轨噪声产生机理、辐射特性、传播规律以及控制技术。主要研究内容和结论如下。     

铁路碎石道砟静态压碎行为数值模拟

为揭示碎石道砟静态受压力学行为与破碎机理,用激光扫描仪获得道砟的真实几何形态,采用球形单元构建了道砟的离散元模型;通过定义单元间接触与黏结行为,模拟了30~60 mm粒径道砟的静态压碎过程,分析了压碎过程中载荷-位移响应以及内部力链和黏结断裂的分布与演化.结果表明:道砟静态压碎特征强度的离散性大且服从Weibull分布,这与已有试验结果一致;初始加载时,尖锐棱角和表面不平整导致道砟表面接触点应力集中与局部压碎,引起道砟翻转及接触状态变化,内部力链分布随之变化,载荷出现短暂回落;道砟稳定弹性变形阶段,部分单元间的接触力随载荷增大逐渐超过黏接强度,出现黏结断裂和局部微裂纹;当黏结断裂数量急剧增加到一定规模时,内部裂纹快速扩展,道砟最终劈裂破碎.      

轨道不平顺波长和幅值对高速动车组动力学性能的影响分析

为了更有针对性地控制高速铁路轨道不平顺,保证某型高速动车组在线路上安全、平稳运行,通过动力学仿真,分析轨道不平顺波长和幅值对车辆动力学性能的影响规律,确定轨道养护维修时需重点关注的不平顺波长范围.针对某型高速动车组,将轨道不平顺简化为不同波长、不同幅值的谐波型高低、轨向、水平和扭曲不平顺,基于车辆-轨道耦合动力学模型对不平顺激扰下的车辆动力学性能进行仿真分析.分析表明,中、短波长的不平顺对轮轨动力相互作用和行车安全性有显著影响,对运行平稳性也有一定影响;中、长波长的不平顺主要影响运行平稳性.不平顺幅值对车辆动力学性能指标的影响规律基本呈线性变化,敏感波长条件下的不平顺幅值变化对系统动力响应的影响尤为显著.分析结果确定了某型高速动车组的敏感波长范围及其幅值影响规律,明确了养护维修重点,将有助于提高养护维修效率,提升高速动车组运行品质.     

提速铁路桥梁横向振动异常探讨及加固技术

列车尤其是货运列车提速后,铁路桥梁横向振动明显加剧,文章分析探讨了其产生原因。基于对桥梁横向振动超限的分析,提出从桥梁梁体、桥墩及墩下基础等方面进行桥梁横向加固。总结了铁路混凝土桥梁横向加固的主要技术方案。     

高速移动荷载作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道基础结构动应力分布规律

运用ANSYS软件,建立路堤上的CRTSⅡ型板式无砟轨道基础结构的动力有限元模型,研究不同速度移动荷载作用下轨道和路基动应力的分布和传递规律。结果表明:在不同的轨道和路基层内动应力沿横向的分布规律与移动载荷的速度相关性不大,而与各层距钢轨底面的距离关系很大;轨道板应力沿横向呈驼峰形分布,最大值位于钢轨正下方,钢轨之间应力水平基本一致;路基动应力随深度的增加,在距离钢轨底面1m范围内急速衰减,在1～4m范围内基本呈线性快速衰减,超过4m后衰减较为缓慢;不同位置的路基动应力总体上随着移动荷载速度的增加而增大,在80～350km·h-1的车速范围内具有较为明显的线性关系,而当速度小于80km·h-1或者大于350km·h-1时变化不明显。     

列车提速对线路的动力影响研究与对策

列车提速是我国铁路实施的具有战略意义的重大决策。由于提速是在既有线眩进行的，提速后机车车辆对线路结构的动力影响将不可避免地增强，给轨道结构强度和线路日常养护维修工作带来不利影响、文中运用车辆一轨道耦合动力学理论，以及车轮擦伤对线路的动力影响等，进行了较细致的分析研究，在此基础上提出了解决这些问题的基本对策。     

内燃机活塞温度场的轴对称组合边界元分析

采用常数-线性组合边界元计算轴对称热传导问题,既可减小奇异点计算的困难性,又提高了计算精度。本文运用FORTRAN77算法语言编制了包含有三种类型边界条件在内的轴对称组合边界元分析程序,具体分析了6135ZG柴油机活塞的温度分布。结果表明,应用边界元法分析轴对称活塞温度场,计算工作量比有限元的计算量显著减少,而计算结果同有限元结果吻合得较好,与实际测量结果相比,最大相对误差仅为1％。     

地铁列车引起的地面振动

为了研究地铁列车引起的地面振动,将轨道、隧道结构和列车荷载简化后建立三维有限元动力分析模型,列车按8节车辆编组,以80km／h的速度运行．计算了列车引起的地面振动,以分析隧道地基弹性模量和隧道埋深对地面振动响应的影响,结果表明：列车通过时,地面的竖向振动普遍比横向振动大;在靠近线路中心的区域,竖向振动随到线路距离的增加很快衰减;地面的横向振动有时比竖向的大,计算时不应忽略;地面振动强度和传播范围随地基弹性模量和埋深增加而减小。     

轨道板声辐射特性

板式轨道的噪声辐射比有砟轨道严重.为预测板式轨道的噪声辐射,根据虚功原理或者哈密尔顿原理建立轨道板的振动方程,并通过傅立叶变换得到轨道板在稳态荷载作用下的振动响应,然后用边界元法建立轨道板的声学边界元模型,以轨道板的振动响应作为边界条件计算轨道板的声辐射特性.研究结果表明:轨道板的声辐射效率与频率的关系具有随频率变化的复杂特性,呈非线性,不能用1个简单的解析表达式描述;轨道板的厚度对声辐射效率没有影响,对轨道板的声辐射功率低频段影响较大,高频段影响较小;轨道板面积对轨道板声辐射效率的影响较大,对轨道板声辐射功率的影响甚微;轨道板下橡胶垫板对轨道板的振动和声辐射在50 Hz以下及1(000 Hz以上频段时影响较大,在50～1 000 Hz频段影响较小;博格轨道板的声辐射效率和声辐射功率在30 Hz以下频段时,低于A型轨道板,其他频段均大于A型轨道板.     

轮轨滚动噪声激扰模型研究

为解决轮轨高频非线性接触问题和预测轮轨滚动噪声,需研究轮轨表面粗糙度的时域模型。在基于线性化理论的轮轨表面粗糙度频域表示方法的基础上,为满足轮轨非线性接触的要求,采用时频转换的方法建立轮轨表面粗糙度时域输入模型,并以Sato轮轨表面粗糙度谱为例,运用所建立的轮轨噪声预测模型及开发的轮轨噪声预测分析软件对轮轨滚动噪声辐射进行了仿真计算,将得到的轮轨滚动噪声频谱特征及其时域特点与工程实际监测结果进行对比分析,证明模型是可靠的。