随机振动下多跨弹性支撑梁桥的冲击系数分析

基于随机振动理论和正交试验设计,研究了三跨弹性支撑梁桥的冲击系数及其影响因素。采用虚拟激励法求解桥梁在车辆和桥面不平顺作用下的随机响应,根据三倍标准差准则将桥梁挠度随机响应由统计结果转化为确定性值域,进而求得桥梁冲击系数。通过设计桥梁冲击系数影响因素的正交试验,研究了桥梁长度、桥梁刚度、桥面不平顺、车速、车体质量和车辆轴距对桥梁不同部位的冲击系数的影响规律及显著性。计算结果表明:算法高效、精确,有效克服多因素正交试验带来的庞大计算困难;桥梁不同部位的挠度冲击系数差异较大,且随着桥面不平顺等级的提高而增大;与其他因素相比,对冲击系数影响最为显著的是桥面不平顺,其次为桥梁长度和车速。     

基于车-桥随机振动模型的简支梁桥墩顶垂向动反力特征研究EI北大核心CSCD

为研究高速铁路简支梁桥墩顶垂向动反力的随机性特征,基于虚拟激励法和有限元方法,建立了列车-轨道-桥梁耦合系统竖向随机振动模型。采用多体动力学理论建立具有二系悬挂的质量-弹簧-阻尼系统列车模型;采用有限元方法建立轨道-桥梁有限元模型;基于等效Hertz线性轮轨接触关系建立列车-轨道-桥梁耦合系统动力学方程。通过虚拟激励法将轨道高低不平顺转化为一系列简谐不平顺的叠加,将非平稳随机振动问题转化为确定性时间历程问题,推导了列车-轨道-桥梁耦合时变系统随机振动计算模型。基于该计算模型,以五跨32 m预应力混凝土简支箱梁桥为研究对象,研究了轨道不平顺和车速对墩顶垂向动反力随机特征的影响。结果表明:墩顶垂向动反力受列车轴重引起的确定性激励控制,轨道不平顺随机激励对其影响显著;不同轨道不平顺随机激励下墩顶动反力均方根(σ)不同,基于3σ法得到的限值(μ±3σ)相差较大;随着车速的增大,墩顶动反力均方根(σ)逐渐增大。     

地震作用下高速列车与桥梁耦合振动分析

摘要: 为了研究地震作用下高速列车与桥梁耦合振动特性,通过分析JR300系列轮轨高速列车与高架桥在地震作用下的耦合振动,对轨道不平顺、不同地震波对耦合振动响应的影响进行比较研究。结果表明：轨道竖向不平顺会加大车体振动竖向加速度,在地震作用下,车体加速度会接近或超过规定限值;桥梁在地震与列车作用下,考虑轨道的竖向不平顺对桥梁的竖向响应影响较小;不同地震波激励对车桥振动响应影响有较大不同。     

基于车-桥随机振动模型的简支梁桥墩顶垂向动反力特征研究

为研究高速铁路简支梁桥墩顶垂向动反力的随机性特征,基于虚拟激励法和有限元方法,建立了列车-轨道-桥梁耦合系统竖向随机振动模型。采用多体动力学理论建立具有二系悬挂的质量-弹簧-阻尼系统列车模型;采用有限元方法建立轨道-桥梁有限元模型;基于等效Hertz线性轮轨接触关系建立列车-轨道-桥梁耦合系统动力学方程。通过虚拟激励法将轨道高低不平顺转化为一系列简谐不平顺的叠加,将非平稳随机振动问题转化为确定性时间历程问题,推导了列车-轨道-桥梁耦合时变系统随机振动计算模型。基于该计算模型,以五跨32 m预应力混凝土简支箱梁桥为研究对象,研究了轨道不平顺和车速对墩顶垂向动反力随机特征的影响。结果表明:墩顶垂向动反力受列车轴重引起的确定性激励控制,轨道不平顺随机激励对其影响显著;不同轨道不平顺随机激励下墩顶动反力均方根(σ)不同,基于3σ法得到的限值(μ±3σ)相差较大;随着车速的增大,墩顶动反力均方根(σ)逐渐增大。     

客货共线无砟轨道轮轨力统计特征研究

客货共线无砟轨道,相较于客运专线,货车轴重的增加势必造成列车荷载的增大,而轨道结构直接承受列车荷载的作用,因而有必要对客货共线无砟轨道轮轨力荷载的统计特征做进一步研究。该文以客货共线CRTS I型板式无砟轨道为研究对象,选取遂渝线蔡家车站和渝怀线鱼嘴2号隧道两个测点,应用IMC动态数据采集系统测取过往客、货车垂向轮轨力。运用轮轨系统耦合动力学理论建立车辆-轨道垂向耦合动力学模型,计算不同车速和不同轨道不平顺激励下客、货车轮轨力,结合实测数据,分析客货共线无砟轨道轮轨力的统计特征,得出以下结论:客货共线无砟轨道轮轨力呈近似正态分布,95%以上客车轮轨力分布于45 kN~90 kN,95%以上货车轮轨力分布于100 kN~150 kN,与实测所得数据基本吻合;客货车轮轨力概率密度曲线随车速和不平顺幅值的增大而逐渐变得“矮胖”,轮轨力分布范围随车速增大和线路状况劣化而逐渐增大,且线路状况对轮轨力分布的影响远大于车速;以1.5倍静轮重和轮轨力最大峰值为控制指标,建议客货共线无砟轨道客车车速控制在180 km/h以下,货车车速控制在100 km/h以下。     

基于虚拟激励法列车脱轨系数概率统计研究

为探讨高速铁路列车脱轨系数安全指标的随机特性,基于虚拟激励法与极值理论,采用多体动力学理论与有限元法建立车桥随机振动模型。采用垂向密贴、横向线性蠕滑轮轨关系建立车-桥耦合系统动力学方程;运用虚拟激励法将轨道不平顺转化为一系列频率点处简谐荷载的叠加,将非平稳问题转化为确定性的时间历程问题,通过分离迭代法求得轮轨力功率谱;基于调制函数,采用谐波叠加法在每一时刻求和得到轮轨力时程样本;通过极值理论探究脱轨系数最大值概率分布函数并求得其最大值。同时讨论了不同挠跨比情况下,轮轨力功率谱的平稳特性。基于该计算模型,以24.6 m混凝土简支梁为研究对象,研究不同车速下脱轨系数极值分布情况。研究结果表明:极值分布能很好的求得不同车速下的脱轨系数极值;速度越大,脱轨系数极值分布的离散型越强,对应的99.73%置信度脱轨系数值越大;置信度99.73%对应极值能较好的控制住时域样本最大值;就所研究的工况而言,桥梁变形对轮轨力功率谱平稳特性的影响很小。     

单车过桥下弹性车体共振与消振现象分析

为研究弹性车体振动对车桥系统动力响应影响,将车体视为两端自由的均质等截面欧拉梁、转向架及轮对视为刚体,利用模态叠加法考虑简支梁变形,用轮轨密贴接触假设建立单车通过多跨简支梁的车桥系统动力学方程,并用Newmark-β数值积分法求解系统动力响应。以一系列正弦不平顺为系统激励,研究不平顺激扰下弹性车体共振与消振现象。结果表明,弹性振动主要改变车体的振动量,对桥梁振动反馈作用较小;弹性车体共振被激发时其动力响应被显著放大,共振速度由车辆定距与车体弹性自振频率决定;因存在轴距滤波,当不平顺波长满足弹性车体消振发生条件时车体动力响应被显著抑制。     

基于改进的EMD方法提取车辆-轨道垂向耦合系统动态特性

提出利用一种改进的经验模态分解（EMD）方法提取车辆-轨道耦合系统的动力学特性。该方法以改进的极值域均值代替极值点包络线的均值来提高局部均值的求解精度,以边界波形匹配预测法来抑制端点效应。基于车辆－轨道耦合动力学理论,建立客车-弹性支承块无砟轨道垂向耦合动力学模型,计算车辆-轨道耦合系统在波浪形磨损和轨道不平顺组合激励模型下的振动响应。运用改进的EMD方法对系统的振动响应进行经验模态分解,并且对轮轨力、转向架和车体加速度的本征函数进行分析和比较。研究结果表明：改进的EMD方法自适应地将振动响应分解成本征函数,能有效地提取车辆-轨道耦合系统的动力学特性。     

基于高速铁路路基冻胀的轮轨动力响应研究

季节性冻土区高速铁路无砟轨道路基冻胀,影响了列车运行的安全性、舒适性以及无砟轨道主体结构的服役性能。为研究路基冻胀和高速行车荷载组合效应下的轮轨动力响应,建立了车辆-轨道-路基冻胀耦合动力学模型,对路基不同冻胀幅值、冻胀位置和行车速度下CRTSⅠ型板式无砟轨道轮轨动力响应及轨道结构受力进行分析。结果表明:冻胀发生区段轮轨动力响应增大,列车以350 km/h运行时的安全性和舒适性满足冻胀管理标准要求,但轮轨力随冻胀幅值和速度的增加而增大;轨道板和底座板振动加剧,在计算冻胀波长和幅值范围内,离缝处轨道板振动加速度峰值超过动态验收标准要求,容易引起离缝处CA砂浆层及路基基床表层伤损破坏,且轨道板、底座板振动加速度随行车速度增加而增大;轨道结构动应力和列车荷载传递关系密切,路基冻胀状态下列车荷载引起轨道板和底座板处于交替和交变的拉压受力状态,需要在设计中提出控制裂纹的措施,行车速度对短波冻胀时轨道结构受力影响较小。     

轨道随机不平顺影响下高速铁路地基动力分析模型

考虑轨道随机不平顺影响,建立了移动车辆-有砟轨道-路基-层状地基垂向耦合振动解析模型。模型中,将虚拟激励法和解析的波数-频率域法有效结合起来,直接由轨道不平顺的功率谱密度得到准确的动态轮轨力功率谱。将移动列车轴荷载和轨道随机不平顺引起的动态轮轨力考虑为傅里叶级数表示的谐波叠加形式,根据线性系统叠加原理,求得地基动力响应功率谱估计值与时程结果。利用在波数域内直接计算位移频谱、划分合适谐波区间等技术,显著提高了随机振动响应功率谱和时程的计算效率。对比分析了地基表面测点垂向振动加速度时程与频谱的理论计算与现场实测结果,证明了本文模型的合理性。     

新型转轨空间动态耦合模型

基于车辆－轨道耦合动力学理论,建立了新型轮轨空间动态耦合模型。详细研究了充分考虑钢轨横向、垂向和扭转振动以及轨道不平顺作用下,轮轨空间动态接触几何关系、轮轨法向力以及轮轨蠕滑力的求解模型。突破了传统车辆力学中关于轮轨刚性接触和始终接触的假设。最后,与国际著名软件NUCARS的数值仿真比较和与我国线路试验的结果比较表明,本文所建立的新型轮轨耦合关系模型是正确有效的。     

浮置板轨道参数激励振动研究

浮置板轨道结构中,浮置板布置的周期性和不连续性导致轨道刚度的周期性变化。车辆行驶在浮置板轨道上时,轨道刚度的周期性变化会引起参数激励振动。为了研究该问题,将钢轨和浮置板视为模态梁,钢轨扣件和隔振器视为线性弹簧-阻尼器;车辆采用相邻车厢距离最近的两台转向架模型,建立了车辆-浮置板轨道耦合动力学模型。应用该模型分析了浮置板轨道参数激励振动的形成机理及影响因素,提出了减小参数激励振动的控制措施。计算结果表明:振动的频率成分主要为车轮通过浮置板的频率及其倍频;轮轨作用力随着车辆速度的提高而增加,随着隔振固有频率的减小而增加;调整浮置板下隔振器的位置和刚度可以降低参数激励振动引起的轮轨作用力。     

车轮状态变化对重载货车轮轨作用力影响

重载货车在实际的生产及服役条件下,轮轨之间的相互作用不仅受各种轨道不平顺激励的影响,也会受到车轮状态变化的激励作用。从车轮运行状态的角度研究重载货车轮轨间相互作用,分别以车轮磨耗前后踏面形状、车轮多边形化、车轮质量偏心和轮对结构变形四种车轮运行状态来模拟分析车轮各状态参数与轮轨垂向作用力的关系,并总结其影响规律。研究表明：车轮踏面形状主要影响轮轨接触斑面积以及接触应力分布,磨耗后车轮比新轮的接触应力分布范围更广泛;在不同速度下,车轮多边形化的波深、相位差及谐波阶数对轮轨垂向力产生不同程度的影响;车轮质量偏心对轮轨产生周期性垂向冲击,但振动幅度并不大;轮对挠度的动态变化对轮轨动态接触载荷影响比较显著,尤其是轮对结构弯曲振动加剧了轮轨垂向动作用力。     

铁路曲线钢轨横向凹坑对初始波磨形成的影响

建立了车辆/轨道横向垂向耦合动力学、轮轨滚动接触力学和钢轨材料摩擦磨损模型为一体的钢轨波磨计算模型,发展了相应的数值方法。利用该方法分析了曲线钢轨顶面内侧具有横向凹坑对初始波磨形成的影响。计算了客车车辆通过钢轨轨头横向凹坑时,同一个转向架的4个车轮反复作用下钢轨初始波磨形成和发展情况。数值结果表明,当车辆通过具有横向凹坑的曲线钢轨时,轮对和钢轨之间发生瞬态冲击振动,引起钢轨接触面产生不均匀磨损而形成初始波磨,随着车辆通过次数增加,不均匀波磨深度加大并向前扩展,形成大约30mm和750mm的波长;当车轮通过横向凹坑瞬间,车轮和钢轨之间发生激烈的振动,使4车轮下的钢轨接触表面产生严重的凹坑磨损,当车辆再次通过时,轮轨间的振动继续加剧,凹坑磨损深度迅速加大;前轮对通过凹坑而受激振动对后轮对动力学行为影响较大,导致后轮对作用下钢轨接触面不均匀磨损严重,但后轮对受激振动对前轮对动力学行为的影响较小;前轮对左轮受外轨激振作用而导致前轮对右轮下钢轨接触面凹坑磨损最严重。     

车辆-轨道非线性耦合动力学的精细积分法及其应用

提出精细积分法求解移动质量与结构相互作用的新的计算方法。分析焊接接头不平顺和轨枕悬空对轮轨力和轨道部件之间相互作用力的影响。该方法采用非齐次项的Duhamel积分的精细积分算法,避免状态空间下系统矩阵求逆。通过Lagrange插值多项式获得移动质量与结构相互作用的载荷项外插公式,无需迭代求解移动质量和结构非线性相互的动态响应。系统矩阵具有时不变性,无需反复计算指数矩阵。在每个积分步内,利用Euler梁的形函数分解移动载荷项,获得移动载荷与结构相互作用时间和空间连续变化的情况。计算结果表明,轮轨力的第一个峰值主要由于焊接接头不平顺造成,轨枕悬空主要影响轮轨力第二峰值。焊接接头不平顺区易出现轨枕悬空。轨枕悬空出现后,悬空区有扩大的趋势。     

基于谱元法的车辆-轨道结构频域振动特性研究

基于谱元法建立车辆-轨道结构频域振动模型,其中轨道结构模拟为三层铁木辛柯梁,车辆部分考虑为整车模型,运用Lagrange方程实现车辆与轨道结构的耦合,并采用虚拟激励法将轨道不平顺模拟为虚拟荷载,通过求解车辆-轨道整体结构的谱元法方程,得到车辆-轨道结构在频域内的振动响应。结果表明:钢轨、轨道板和底座板的第一、二、四阶振动峰值分别由车体、转向架、车轮自振引起,其他振动峰值由轨道结构系统自振引起;钢轨、轨道板和底座板的振动能量分布在较宽的频率范围;在离开车辆一侧且距离端轮对2.5 m处,1~800 Hz内钢轨振动迅速衰减,当大于800 Hz时,钢轨振动衰减缓慢;在距离端轮对18 m处,25~1171 Hz内钢轨振动衰减基本稳定;在距离端轮对20.5 m处,小于25 Hz时,钢轨振动随着离开端轮对距离的增加迅速衰减,当大于1171 Hz时,钢轨振动则衰减较小。     

Design and mechanical aspects of composite materials for light rail vehicle tracks

A design exercise has been undertaken to examine the feasibility of using composite materials as track for light rail vehicle systems. It is concluded that the beam strength of a pultruded composite rail would be more than adequate for a light rail vehicle with a wheel load of 4 tonnes. However, the composite rail would be limited to wheel loads of 2 tonnes (at most) to avoid rolling contact fatigue and provide a small margin of safety for the loads which arise from dynamic behaviour of the vehicle and impacts caused by wheel and rail irregularities.     

钢轨吸振器对高架结构垂向振动的影响

建立带有钢轨吸振器的高速铁路高架结构板式轨道与桥梁垂向耦合振动模型,分析钢轨吸振器对轨道和桥梁结构垂向振动的影响。模型已考虑了钢轨吸振器、板式轨道结构及桥梁间的耦合作用。钢轨吸振器被视为两自由度的质量-弹簧系统,钢轨、轨道板和桥梁被视为多层叠合梁模型,彼此用弹簧阻尼元件联接。利用动柔度函数,得到吸振器-板式轨道-桥梁系统垂向振动响应的解析表达式,并以轮轨表面粗糙度谱作为激励求解模型的振动响应。研究结果表明：钢轨吸振器在180 Hz～300 Hz及700 Hz～1 000 Hz频段内对整个高架轨道系统的位移幅值及相位、振动衰减产生较明显的影响;同时,在轮轨表面粗糙度谱的激励下,带有钢轨吸振器的轮轨系统的轮轨力在pinned-pinned频率处明显减小,在前两阶自振主频附近钢轨吸振器对整个高架轨道系统结构振动的影响较明显。     

重载机车车轮擦伤下的轮轨动态响应

车轮踏面擦伤会造成剧烈的轮轨冲击作用,加剧车辆和轨道结构部件的疲劳破坏。为揭示实际车轮擦伤状态下的重载机车-轨道耦合振动响应特征,基于车轮擦伤的现场实测数据,拟合出了车轮擦伤模型。采用重载机车-轨道耦合动力学模型,详细考虑了钢轨垫层与扣件弹条相互作用,分别从时域和频域角度仿真计算了机车车轮擦伤引起的轮轨动态响应。研究结果表明:实际车轮擦伤呈不对称的几何形状;车轮擦伤激起的冲击力对轨道部件影响较大;车轮擦伤可能引发钢轨与扣件系统的短暂分离。研究结果可为踏面损伤识别、轨道部件检修提供理论参考。