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。     

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。     

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。     

基于虚拟激励法的车桥系统随机振动分析

基于虚拟激励法进行列车~桥梁耦合系统的非平稳随机振动分析,研究了车速以及轨道不平顺等级对系统随机振动的影响。车辆模型采用10个自由度的两系悬挂垂向车辆模型,考虑轮轨接触点处随机激励的时滞性,将轨道高低不平顺激励假设为均匀调制多点完全相干随机激励;然后根据时变系统的虚拟激励法,将其转化为一系列确定的虚拟激励,采用Newmark逐步积分法分离迭代求解系统的虚拟响应,进而求得系统随机响应的时变功率谱和标准差,据此分析系统的随机振动特性;最后通过数值算例分析了列车速度、轨道不平顺等级对系统随机响应的影响。     

基于2.5维有限元法和虚拟激励法的地铁交通场地随机振动分析

基于2.5维有限元法和虚拟激励法进行地铁交通场地随机振动特征分析。基于虚拟激励法由轨道不平顺功率谱得到动态轮轨力功率谱,将其作为轨道—隧道—地基土系统2.5维有限元模型的外部激励,计算得到地面随机振动响应,分析车速和轨道不平顺等级对地面随机振动特征的影响。结果表明:地面振动位移受车辆轴重控制,受轨道不平顺随机激励影响较小;地面振动速度和加速度主频随地铁车速的增加显著增大,轨道不平顺等级不改变地面振动响应的频谱分布;轨道不平顺等级降低和地铁车速增大造成地面随机振动响应的离散度和Z振级最大值显著增加;轨道不平顺随机激励下,地面振动速度和加速度上限值以及Z振级最大值在垂直于地铁运行方向的衰减出现明显波动,距轨道中心线60 m外衰减趋势变缓。     

轨头不平顺对列车提速危害的计算机仿真研究

采用车辆-轨道耦合大系统的思想,将钢轨简化为弹性点支承有限长的欧拉梁、轮轨接触关系采用弹簧接触,建立出轮轨动力学模型.分析车轮以不同速度行驶过程中,受轨道低接头不平顺激励下轮轨相互作用垂向振动响应.并得出低接头不平顺对列车提速的影响.     

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。     

基于直接概率积分法的列车-轨道-桥梁系统随机分析

由于施工和制造误差使得铁路工程结构参数不可避免地具有不确定性,同时作为系统主要自激励的轨道不平顺亦具有明显的随机性和时变性,因此,探明不确定因子对列车和轨道-桥梁结构动态性能的影响非常重要。为了高效地完成列车-轨道-桥梁系统随机性能分析,建立列车-轨道-桥梁空间振动分析模型,采用轨道不平顺概率模型和谱表达-随机函数的方式在有限随机变量空间中实现轨道不平顺随机过程的高效模拟。引入概率密度积分方程和直接概率积分法发展了列车-轨道-桥梁系统随机动力方程和相应的计算求解策略。基于MATLAB实现了列车-轨道-桥梁随机振动的直接概率积分法分析程序,计算了全概率不平顺激励和参数随机条件下车-轨-桥系统振动响应的均值、标准差和时变的概率密度信息。研究结果表明：与概率密度演化分析方法相比,直接概率积分法可较好地反映行车过程中系统响应的概率密度特征,然而其在系统响应随机后处理时更为高效,其效率可提高1～2个数量级。此外,考虑轨道不平顺全概率激励更能准确地反映行车过程系统响应的概率特征,平均概率谱可能使得计算结果偏于保守;行车速度对于列车和桥梁动态行为的影响是显著的,随着行车速度的增加系统响应的范围逐渐变...     

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。     

大跨度铁路桥梁车桥动力响应理论分析及试验研究

本文系统地研究了铁路桥梁车桥空间耦合动力响应问题，提出了切合实际的桥梁、机车车辆振动及其相互作用的计算机模型，针对桥上轨道变形提出了考虑轨道变形的轮轨关系，采用轨道不平顺的数值模拟波作为车桥系统的激励源，并在此基础上建立了车桥动力方程组迭代求解法。     

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。     

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。     

北京城市轨道交通西直门桥振动仿真研究

利用国际大型商用软件MSC／PATRAN建立城市轨道交通系统车、线、桥动力学仿真模型。将轨道不平顺作为车／桥耦合振动的激励源。采用有限元软件MSC／DYTRAN计算耦合系统在普通板式橡胶支座和钢弹簧支座两种情形下的振动响应，并对两种情形下的振动响应进行了对比。     

传统车辆模型与车辆-轨道耦合模型的垂向随机振动响应分析及比较

基于车辆－轨道耦合动力学原理，运用随机振动理论进行了轮轨系统中传统车辆模型与车辆－轨道耦合模型的垂向随机振动响应比较分析。结果表明，传统车辆模型仅适用于轮轨系统的低频振动分析，在研究高频振动时将产生大的误差；而车辆－轨道耦合模型则可适用于轮轨系统整个频率带的随机振动分析。     

轨道不平顺激励下车辆-桥梁垂向随机振动方差解法

提出时滞多维非白噪声轨道不平顺激励下车辆-桥梁垂向随机振动的时域分析方法。采用白噪声滤波法模拟单轮对下的不平顺,在宽频带内识别滤波器参数以实现波长选择功能。基于Pade近似构造累次时滞滤波器以反映各轮对下不平顺之间的时滞关系。结合成型和时滞滤波器,构造以一致白噪声为输入、时滞多维非白噪声不平顺为输出的合成滤波器。建立车辆-桥梁垂向振动模型,并与合成滤波器联立得到一致白噪声激励下的车-桥-滤波器扩阶状态方程。继而提出求解此扩阶时变系统随机振动方差响应的递推算法。算例结果与MonteCarlo模拟法符合良好,表明该方法具有足够的精度,且对时间步长不敏感。     

横向地震作用下车辆−板式无砟轨道系统随机振动分析

地震波本质为非平稳随机过程。为了准确分析地震波对车辆?轨道系统非线性振动行为及动力可靠度的影响,基于车辆?轨道动力相互作用模型、轨道不平顺概率模型和概率密度演化方程,建立考虑轨道随机不平顺作用的横向地震?车辆?轨道系统随机分析及可靠度计算模型。以地震波演化功率谱模型为例,峰值加速度取为1.96 m/s2,对地震和轨道不平顺联合作用下的车辆?轨道系统随机响应进行数值分析。研究结果表明:当考虑轨道不平顺和地震波的联合作用时,车体横向加速度和轮轨横向力较仅考虑地震波作用下的系统响应增大约10.92%和24.97%;轨道随机不平顺与地震随机波的耦合将进一步增大结构动力响应的离散性,故而开展地震和轨道随机不平顺的联合分析是必要的。     

轮轨系统激励下列车-轨道耦合系统的振动分析

运用弹性系统动力学总势能不变值原理和形成矩阵的"对号入座"法则,建立了列车-轨道耦合系统的竖向振动方程。分析了车轮偏心和轨道随机不平顺对高速行车影响。研究表明:车轮偏心属于周期性激扰源,它将导致系统的周期性强迫振动;车轮偏心对钢轨和轨道板的竖向振动位移影响较小,而对轮轨之间相互作用以及系统各部件的振动加速度影响较大,且随着偏心距的增大,系统的动力响应将加剧;郑武高速试验段轨道随机不平顺幅值大约为4mm左右,其对系统动力响应影响较小,平顺性较好。     

车桥系统空间非平稳随机分析

采用虚拟激励法将轨道高低、方向和左右轨高差不平顺转化为一系列简谐荷载,将非平稳振动分析转化为确定性的时间历程分析,进行三维车桥系统空间非平稳随机分析。采用分离迭代法求解车桥系统运动方程,运用三倍差原理确定系统响应的最大和最小值,讨论系统响应的功率谱密度。研究表明:车体振动、桥梁跨中横向响应和轮对受到的横向轮轨力的随机性较大,轨道不平顺是其主要影响因素,桥梁跨中垂向响应及轮对受到的垂向轮轨力主要由确定性荷载引起。     

基于车桥耦合动力分析的桥梁动应力计算方法

为充分反映列车与桥梁的动力相互作用,建立三维车辆模型及桥梁有限元模型,依据轮轨接触关系形成车桥耦合动力系统模型;考虑轨道不平顺的随机激励作用,求解车桥系统动力方程,得到桥梁节点的振动响应。在此基础上,计算桥梁构件单元的动应力响应时程。以CRH2型动车组通过某跨度为80m的下承式钢桁梁桥为例,计算分析各局部杆件的动应力时程及不同杆件的应力动力放大系数。结果表明:所给出的计算方法考虑了桥梁横向振动的影响以及轨道不平顺激励,能够真实反映列车荷载作用下桥梁局部构件的动应力响应;在列车荷载作用下下承式简支钢桁梁桥各类杆件中的危险杆件并不一定出现在桥梁跨中,动应力响应沿桥跨方向呈现出与位移响应幅值不同的空间分布趋势;不同类型杆件的应力动力系数不相同;现行规范中关于运营动力系数的计算不能真实反映不同车速下桥梁杆件应力的动力放大效应。     

基于轮轨线性相互作用假定的车桥相互作用理论及应用

研究车桥耦合系统中轮轨相互作用关系问题。以刚体动力学方法建立车辆子系统模型,有限元法建立桥梁子系统模型;假定车辆轮对与钢轨之间在竖向上服从轮轨密贴假定,在横向上服从Kalker蠕滑理论;并在计算横向蠕滑力时考虑轮对锥形踏面和恒定法向力;以轨道不平顺为系统激励;建立车辆-桥梁统一的线性动力平衡方程组。利用上述轮轨线性相互作用假定,以SS8单节机车通过单跨32m简支梁为例,计算各轮对横向运动的时域及频域响应;讨论轮对蛇形运动波长、波幅的影响因素;分析桥梁横向振动、横向轨道不平顺以及车辆系统横向振动三者的关系;并验证轮对蛇行波假定的正确性。