弹性支承块轨道结构落轴冲击动力性能分析

将轮轨接触边界条件用罚函数法释放,采用点面接触单元导出轮轨接触有限元控制方程,建立轨道结构落轴冲击动力有限元方程。分析落轴冲击对轨道结构产生的动态响应,比较弹性支承块及短轨枕埋入式整体道床轨道结构的动力性能,并用现场实测数据进行验证。结果表明:弹性支承块轨道结构与普通短轨枕结构相比,其轨下及块下刚度易于调整,可进行双层弹性的合理匹配,从而有效吸收轮轨冲击,提高列车运行平稳性,具有减振降噪与延缓轮轨磨损等优越性能。建议其块下刚度稍大于轨下刚度,增幅值控制在20%以内。     

浮置板轨道系统动力响应分析

为了分析浮置板轨道的动态特性,根据结构动力学原理建立浮置短板-隧道、浮置长板-隧道和普通轨道-隧道的有限元模型。利用落轴冲击仿真分析和施加实测轮轨力进行动力响应分析两种方法,对浮置短板、浮置长板和普通轨道进行仿真分析,对比分析了其动力响应性能。落轴冲击分析结果和施加实测轮轨力谐响应分析的结论一致。这表明:浮置板轨道隔振性能主要由其固有频率决定,只要浮置短板和浮置长板的固有频率相同,隔振性能基本相同。可以通过增加浮置板质量和降低浮置板支承刚度的方法降低浮置板轨道系统的固有频率,以达到较好的隔振性能。     

地铁轨道减振性能的落轴冲击仿真分析

建立落轴冲击有限元模型,仿真分析地铁弹性扣件、弹性支承块和浮置板等三种轨道结构的冲击响应,对比分析了其减振性能.结果表明,弹性支承块轨道通过轨下和块下刚度的合理匹配,动力性能优于弹性扣件结构;浮置板轨道结构的减振效果最好,受行车速度的影响较小.采用所建落轴冲击数值模拟方法,可有效分析不同形式轨道结构的动力性能.     

减振型板式轨道合理刚度动力分析

为了探明减振型板式轨道结构的合理刚度及其匹配关系,应用有限元分析软件建立了梁-实体动力学模型,并结合工程实际确定了轨下刚度和轨道板下刚度取值方案.在模拟落轴试验冲击荷载作用下,分析了减振型板式轨道结构的动力响应.结果表明,减振型板式轨道的扣件合理静刚度为30～50kN/mm,轨道板下板端胶垫刚度为0.07～0.18 N/mm3、板中胶垫刚度为0.06～0.15 N/mm3,此时可使各项动力学指标均处于比较合理的水平,有效降低轮轨动力冲击作用,起到较好的降噪减振效果.     

高速铁路有砟轨道结构动力特性分析研究

根据我国新建高速客运专线和200 km·h-1既有线提速改造的实际情况,以有砟轨道结构为研究对象,进行轨道结构动态响应有限元建模与轨道不平顺影响的动力分析、落轴冲击数值计算和不同垫层隔振性能分析、无缝线路钢轨振动特性谐波响应分析及室内实尺模型试验,研究轨道结构动态特性.     

新型二维轮轨耦合单元及OpenSees实现

基于轮轨竖向非线性接触关系,提出一种新型通用二维轮轨耦合单元模型,并在有限元OpenSees软件平台上实现。所提单元由轮节点和所有可能与之接触的梁单元节点组成,通过建立和求解关于轮轨作用力的一元三次方程,得到轮轨之间的接触力,计算由轮轨相互作用产生的耦合单元各节点力,定义为单元内力。通过与文献中计算结果对比,验证了该单元模型的准确性和可靠性,基于此模型分析高速列车通过桥梁时在轨道不平顺激励和地震作用下的动力响应。此耦合单元模型易于集成到有限元计算平台中,能与已有的列车模型、轨道和桥梁等模型联合使用,能够考虑轨道不平顺和轮轨脱离等情况,可用来分析复杂竖向车桥耦合系统的动力问题。     

土质路基上板式无砟轨道结构的动力学性能仿真研究

依据系统工程理论的思想,基于车辆—轨道耦合动力学理论和有限元理论,建立机车车辆和板式无砟轨道结构的力学模型,采用ABAQUS软件实现滚动接触过程的轮轨接触的模拟,对铁路客运专线土质路基板式无砟轨道结构在高速行车条件下的动力学性能进行仿真分析研究。结果表明：板式无砟轨道结构的平顺性很好;动车组轮轨垂向力、轮重减载率、轮轨垂向力动载系数和各轮脱轨系数的最大值及其离散性均随着列车速度的提高而增大,整个动车组所有车轮的轮轨横向力最大值以及各轴的轮轴横向力均远小于安全控制值;板式无砟轨道结构各部分的振动加速度和主要振动频带范围随着列车速度的增大而增大;板式无砟轨道结构的振动衰减情况良好。     

基于ANSYS轨道不平顺条件下轮轨系统频谱动力响应分析

为了分析轮轨系统在轨道不平顺功率谱激励下的动力响应,根据动力学原理并结合有限元理论,建立了轮轨接触的有限元模型,对轮轨系统进行静力分析和频谱分析,获得轮轨接触的基本特性和轮轨系统不同部位位移和加速度响应的谱值,计算结果表明,车体竖向位移最大谱值对应的频率为1.669Hz,而其最大加速度谱值所对应的频率为105.25Hz;车轴和车轮底面最大竖向位移和加速度谱值所对应的频率分别为66.27Hz和66.28Hz;同时结果显示,位移和加速度响应谱值随着列车运行速度的增加也是逐渐变大的。     

地震荷载作用下轮轨系统振动特性分析

为了分析轮轨系统在地震荷载激励下的动力响应,根据振动力学和有限元理论,利用ANAYS结构分析软件,建立三维轮轨系统接触的有限元模型,模型中考虑轮轨之间的实际接触状态,计算在地震荷载激励下的轮轨系统的振动特性。结果表明:地震荷载下轮轨接触应力是静力时的1.8倍,并且轮轨出现短暂的分离,接触区域的等效Mises应力有不同程度增大,车体加速度超出限值14.3%。     

不同类型轨枕轨道结构动力性能试验研究

加强轨道结构是列车提速前线路改造的主要内容之一。目前在提速线路上有Ⅲ型枕和Ⅱ型枕轨道结构,不同的轨道结构具有不同的动力特性。本文就Ⅲ型枕和新Ⅱ型枕轨道结构的动力特性进行试验研究。试验时采用落轴和动力激振两种加载方法,测试轨道结构的动力响应有轮轨作用力、轨座反力、钢轨和轨枕振动加速度。测试结果表明,Ⅲ型枕的质量较大,轨道结构的刚度也较新Ⅱ型枕的大得多。落轴试验时,Ⅲ型枕轨道结构的钢轨、轨枕振动加速度都比新Ⅱ型枕的小,且Ⅲ型枕的振动频率也要低得多,但两种类型轨枕轨道结构的轮轨冲击力相接近。现场试验表明,Ⅲ型枕轨道结构更加稳定。根据试验结果,认为为提高提速线路的稳定性和延长维修养护周期,在列车速度大于160 km/h的线路上宜采用Ⅲ型枕、60 kg/m钢轨的轨道结构。     

基于车辆-轨道单元的无砟轨道动力特性有限元分析

根据CRTSⅡ型无砟轨道系统结构特点,建立列车-轨道-路基耦合系统动力分析模型,提出一种包含钢轨、扣件、轨下垫板、预制轨道板、CA砂浆层、混凝土支承层及路基的无砟轨道单元,并推导该单元刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵。运用Lagrange方程建立高速列车通过时无砟轨道动力特性分析的有限元数值方程。结合实例,研究无砟轨道轨下垫板、CA砂浆层、路基等结构参数对轨道振动的影响,并对有砟轨道与无砟轨道连接段动力特性进行分析,分析时考虑列车速度、轨道基础刚度等影响因素。计算结果表明:无砟轨道结构参数合理取值与刚度合理匹配可显著提高轨道整体工作性能;连接段轨道基础刚度变化对钢轨垂向加速度和轮轨作用力均有影响,其影响随列车速度提高而增大;连接段采取轨道刚度渐变过渡措施,可明显降低车辆-轨道结构冲击振动,有效改善行车品质。     

轨道结构参数对钢轨和轨枕振动特性的影响

建立轨道结构三维实体有限元模型,同时考虑钢轨、轨下垫层、轨枕和道床,并与已有轨道结构振动模型的数值结果进行比较。结果表明,本文模型的数值结果在高频部分较合理,能够反映轨道结构高频振动特性。分析不同轨道结构参数对钢轨和轨枕振动特性的影响,这些轨道结构参数主要包括钢轨材料损失因子和钢轨质量、轨下垫层损失因子和垂向刚度、轨枕质量和损失因子、道床的刚度与阻尼特性等。分析结果表明,轨道结构参数的改变对钢轨和轨枕在不同频域范围影响不同,通过合理的轨道结构系统参数优化设置,可达到减振降噪效果。相关计算和分析结果可为低噪声轨道的设计提供依据与参考。     

基于车轨耦合的弹性地基梁板模型及算法

板式无砟轨道具有变形小、稳定性好的优点,在我国铁路客运专线上应用广泛。国内外学者在建立车辆、轨道以及车辆-轨道耦合系统模型及算法方面已做了许多工作。然而,已有的模型与实际情况尚有差异,有待进一步完善。根据板式无砟轨道的结构特点,采用板单元模拟轨下结构,建立了车辆-板式轨道耦合系统动力分析模型及算法,推导了板式轨道模型单元的刚度、质量以及阻尼矩阵;考虑轮轨非线性接触行为,引入交叉迭代法求解车辆-轨道耦合系统动力学方程;仿真分析了线路随机不平顺工况下,CRH3型动车通过CRTSⅡ型板式无砟轨道时,车辆和轨道结构的动力响应。该模型与算法比已有模型更接近实际,计算结果更准确可靠。     

轨下支承失效对车辆系统动态响应及乘坐舒适度的影响

建立了基于Timoshenko梁模型的非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨下支承失效对车辆乘坐舒适度的影响。钢轨被视为弹性离散点支承上的无限长Timoshenko梁,通过假设轨道系统垂向支承刚度沿纵向分布发生突变来模拟轨下支承失效状态。推导了考虑钢轨横向、垂向和扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式。利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论分别计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力。采用移动轨下支承模型分析离散的轨枕支承对系统动力响应的影响。利用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程。乘坐舒适度评价采用Sperling指标,通过数值分析,得到直线轨道连续从0到6个轨下支承失效对车辆动态响应及乘坐舒适度的影响。结果表明,轨下支承失效对车辆系统位移、加速度有显著的影响,随着轨下支承失效个数的增加,轮轨力和车辆系统的位移、加速度将会急剧增大,乘坐质量和乘坐舒适度指标呈线性增大,但数值很小。     

重载铁路桥上无砟轨道动力学选型研究

为给孟加拉帕德玛大桥铁路连接线桥上无砟轨道结构选型提供依据,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立重载货车-无砟轨道-桥梁耦合动力学模型,分析不同轴重货车通过桥上不同类型无砟轨道时的动力响应。结果表明:随着列车轴重的增大,桥上无砟轨道部件的动力响应明显增大;从降低轨道结构位移的角度考虑,优先选取现浇板式无砟轨道和单层长枕埋入式无砟轨道等单层无砟轨道结构;从降低轨道与桥梁的接触应力及桥梁振动加速度的角度考虑,应优先选取单元板式无砟轨道和长枕埋入式无砟轨道等双层无砟轨道结构。重载铁路桥上无砟轨道选型应综合考虑桥上无砟轨道的动力特性、线路特点及其与相关专业的接口等因素综合确定,相关成果可为重载铁路桥上无砟轨道选型提供参考。     

悬挂式单轨列车曲线通过性能分析

曲线通过性能分析是转向架设计的基础之一。使用多体系统动力学软件建立悬挂式单轨列车-轨道系统60自由度动力学模型,模型考虑轮胎-轨道接触非线性,空气弹簧和抗横摆减震器弹簧非线性。模拟悬挂式单轨列车通过曲线轨道时导向轮与轨道间法向接触力的动态变化过程,研究了空气弹簧水平刚度和轨距变化对转向架曲线通过性能的影响。结果表明:悬挂式单轨列车转向架具有不同于传统轨道车辆的曲线通过形态;空气弹簧水平刚度对转向架的曲线通过形态和导向轮法向接触力有显著的影响,水平刚度为0.01 MN/m时,相较于水平刚度0.1 MN/m,最大导向轮轨法向接触力可减小63.2%;轨距变化对转向架的曲线通过性能影响不明显,减小空气弹簧水平刚度可改善转向架的曲线通过性能。     

轨道交通列车过岔振动特性研究

建立了列车过岔有限元模型,利用轨道振动微分方程原理,定性研究城市轨道交通中不同轨下刚度和列车速度在道岔辙叉区对轨道振动特性的影响.分析了心轨尖端、心轨跟端及辙叉区共用垫板中心等特殊部位处的轨道振动特性.结果表明:列车速度的变化对钢轨最大竖向加速度和岔枕最大竖向加速度的影响较大;而辙叉区轨下刚度的变化对钢轨最大竖向位移、岔枕最大竖向位移及岔枕最大竖向加速度有较大的影响.     

路基不均匀沉降对列车-路基上无砟轨道耦合系统动力特性的影响

基于列车—轨道耦合动力学理论,建立能够考虑无砟轨道-路基系统各部件间接触状态非线性的列车-路基上板式无砟轨道三维有限元耦合动力学模型,并对建立的三维非线性有限元耦合动力学模型进行相应的程序验证。运用建立的耦合动力学模型,对列车在路基上无砟轨道线路上高速行驶时,在路基不均匀沉降作用下,列车-路基上无砟轨道耦合系统动力特性进行研究。研究结果表明:(1)路基不均匀沉降对车体振动加速度影响极大,路基不均匀沉降对车体振动加速度的影响与无砟轨道类型关系不大;(2)路基不均匀沉降对无砟轨道各部件动力特性有一定的影响,影响小于对车体振动加速度的影响,路基不均匀沉降对无砟轨道各部件动力特性的影响与无砟轨道类型有一定的关系,总体来讲,路基不均匀沉降对I型板式无砟轨道动力特性的影响要大于对双块式及Ⅱ型板式无砟轨道的影响。     

轨道结构参数对其声辐射特性影响

建立轨道有限元-边界元振动声辐射模型。用三维实体有限元模型模拟钢轨、轨下垫层、轨枕和道床,以轮轨联合粗糙度作为激励源,并考虑接触滤波的影响。采用有限元法计算轨道结构的系统响应,以轨道结构速度响应作为输入,利用声学边界元法计算轨道结构的声辐射。分析比较本文模型和已有轨道声辐射模型的数值结果表明:在中低频区域内,二者具有较好的一致性;在高频区域,本文模型数值结果更加合理。本文讨论轨道结构参数对轨道系统声辐射影响,结果表明:不同轨道参数对轨道结构声辐射影响程度不同。通过对轨道结构系统参数优化设置,可达到减振降噪效果。