基于車輛-軌道結(jié)構(gòu)垂向耦合系統(tǒng)的數(shù)值積分方法的應(yīng)用與研究.pdf

1、經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下，隨著我國(guó)“一路一帶”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出和建設(shè)，軌道交通不僅作為我國(guó)最主要的交通運(yùn)輸方式而且還是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的命脈。而鐵路交通運(yùn)輸具有安全性能好、時(shí)間正點(diǎn)率高、運(yùn)載能力大和運(yùn)行速度快的特點(diǎn)，同時(shí)又具備能源消耗低、環(huán)境影響輕、占地面積少的優(yōu)點(diǎn)，在世界各國(guó)得到了迅速發(fā)展。然而，隨著市場(chǎng)建設(shè)對(duì)列車運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)載重量以及運(yùn)輸密度要求的不斷增加，列車的高速重載化使得車輛和軌道結(jié)構(gòu)相互之間的動(dòng)態(tài)作用日趨增強(qiáng)，影響列車行駛安全性、乘車舒

2、適性以及軌道結(jié)構(gòu)可靠度的動(dòng)力學(xué)問題亦越加顯著。因此，有必要對(duì)車輛?軌道系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行研究分析。本文主要工作和研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）在車輛-軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)對(duì)車輛系統(tǒng)和軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的合理簡(jiǎn)化和假定，建立車輛-軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)垂向耦合動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算模型；根據(jù)非線性Hertz彈簧接觸理論等效處理輪軌間垂向接觸作用力，按照“對(duì)號(hào)入座”的方法分別建立車輛系統(tǒng)和軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣以及阻尼矩陣，最終

3、組集整個(gè)系統(tǒng)的總矩陣得到車輛運(yùn)動(dòng)微分方程和軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)微分方程。
　　（2）在平面內(nèi)基于靜態(tài)輪軌接觸幾何關(guān)系理論，借助輔助軟件獲得離散坐標(biāo)點(diǎn)后推導(dǎo)出LM型和LMA型車輪踏面以及60kg/m級(jí)鋼軌廓型的數(shù)學(xué)表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上編寫了計(jì)算程序，用于計(jì)算平面內(nèi)輪軌靜態(tài)接觸點(diǎn)處的最小垂向距離進(jìn)而通過對(duì)比確定輪軌接觸點(diǎn)位置。
　?。?）介紹了脈沖型不平順、諧波不平順和幾種常見軌道不平順的種類以及函數(shù)表達(dá)式，給出了不同軌道不平順的時(shí)域樣本

4、，作為輸入激擾。
　?。?）介紹了兩類垂向耦合動(dòng)力學(xué)的數(shù)值分析方法，四種隱式方法包括Park法、Newmark法、Houbolt法和Wilson-β法，兩種顯式方法包括中心差分法和翟婉明提出的新型顯示積分法。結(jié)合各類數(shù)值方法的特點(diǎn)提出了應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)模型的求解步驟，并列出了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值求解的程序流程圖，編制了計(jì)算程序以應(yīng)用于求解模型動(dòng)力學(xué)方程。
　　（5）以軌道不平順時(shí)域樣本作為輸入激擾結(jié)合建立的垂向耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，利用

5、時(shí)域數(shù)值積分法對(duì)系統(tǒng)的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行計(jì)算分析。在此基礎(chǔ)上，得到了不同數(shù)值積分方法對(duì)于軌道不平順激勵(lì)下車輛-軌道結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)的基本規(guī)律，對(duì)于數(shù)值分析方法在動(dòng)力模型的中的應(yīng)用具有重要的理論意義。
　?。?）選用固定模型計(jì)算計(jì)算分析了以諧波型不平順、短波不平順以及美國(guó)六級(jí)軌道譜高低不平順作用激擾下，車輛-軌道結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)在不同數(shù)值積分方法下的振動(dòng)響應(yīng)，得出各種數(shù)值積分方法的計(jì)算優(yōu)劣。
　?。?）與隱式方法和中心差分法

6、不同，新型顯式方法的積分過程較為簡(jiǎn)捷，積分過程中不論阻尼矩陣如何復(fù)雜，只要方程組質(zhì)量矩陣是對(duì)角陣或經(jīng)過對(duì)角化，都無須求解線性代數(shù)方程組。同等計(jì)算條件下不但節(jié)省了計(jì)算內(nèi)存與時(shí)間，而且在分析實(shí)際工程中的大型非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力問題中可以顯著地提高計(jì)算效率與經(jīng)濟(jì)性。
　　（8）分析了軌道諧波型不平順波深的變化對(duì)車輛-軌道結(jié)構(gòu)垂向耦合系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的影響，并總結(jié)得出了一些規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。
　?。?）分析不同扣件、道床剛度值對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)的影響，隨