列車-結(jié)構(gòu)-土體動(dòng)力耦合系統(tǒng)地震響應(yīng)數(shù)值模擬方法及應(yīng)用.pdf

1、我國(guó)是地震多發(fā)國(guó)家，地震作用不僅可能對(duì)列車承載結(jié)構(gòu)造成破壞，同時(shí)也對(duì)其上列車的運(yùn)行安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。隨著我國(guó)高速鐵路和城市軌道交通的迅猛發(fā)展，鐵路及軌道交通運(yùn)營(yíng)里程逐年激增，列車在運(yùn)行過(guò)程中遭遇地震的可能性也大大增加，這為開(kāi)展列車-結(jié)構(gòu)-土體動(dòng)力耦合系統(tǒng)地震響應(yīng)問(wèn)題的研究提供了重要的現(xiàn)實(shí)需求。針對(duì)列車在地震過(guò)程中可能出現(xiàn)的爬軌、跳軌等輪軌分離現(xiàn)象，本文建立了三維輪軌滾動(dòng)接觸模型。針對(duì)列車-結(jié)構(gòu)-土體動(dòng)力耦合系統(tǒng)模型規(guī)模巨大，各子系統(tǒng)穩(wěn)定

2、時(shí)間步長(zhǎng)相差明顯的特點(diǎn)，本文提出了基于負(fù)載均衡的顯式時(shí)域多尺度并行計(jì)算方法。據(jù)此開(kāi)展了列車-結(jié)構(gòu)-土體動(dòng)力耦合系統(tǒng)地震響應(yīng)的研究，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　研究了列車-結(jié)構(gòu)-土體動(dòng)力耦合系統(tǒng)地震響應(yīng)問(wèn)題的建模及計(jì)算方法。利用有限元方法，將剛體列車引入到耦合系統(tǒng)中。采用基于罰函數(shù)的雙向?qū)ΨQ接觸方式建立了三維輪軌滾動(dòng)接觸模型，給出了接觸模型中的關(guān)鍵參數(shù)控制原則，通過(guò)單輪對(duì)滾動(dòng)及脫軌過(guò)程的分析，驗(yàn)證了輪軌接觸模型的準(zhǔn)確性。建立了非線性分層

3、土體模型，通過(guò)自由場(chǎng)地震響應(yīng)的對(duì)比分析，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。
　　研究了基于負(fù)載均衡的顯式時(shí)域多尺度并行計(jì)算方法。采用顯式時(shí)域多尺度算法將列車-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)有限元模型按照單元最小穩(wěn)定時(shí)間步長(zhǎng)劃分為采用不同時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算的區(qū)域，在區(qū)域邊界上采用常速度假設(shè)使邊界節(jié)點(diǎn)滿足協(xié)調(diào)條件。以遞歸坐標(biāo)對(duì)分方法為基礎(chǔ)，進(jìn)一步提出加入考慮時(shí)域內(nèi)多尺度算法影響因子的模型分區(qū)方法。該方法可以大大地節(jié)省計(jì)算資源，縮短求解時(shí)間，通過(guò)與以往研究的對(duì)比，驗(yàn)證了該方

4、法的可行性與準(zhǔn)確性。
　　開(kāi)展了列車-橋梁-土體動(dòng)力耦合系統(tǒng)地震響應(yīng)數(shù)值模擬研究。以某斜拉橋及其上運(yùn)行列車為研究對(duì)象，建立了列車-斜拉橋-土體耦合系統(tǒng)有限元模型，分析了系統(tǒng)在地震激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)，討論了非一致激勵(lì)對(duì)各子系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響，將輪對(duì)橫移量和車輪抬升量作為列車脫軌安全評(píng)判指標(biāo)，研究了地震激勵(lì)下列車真實(shí)脫軌過(guò)程中輪重減載率、脫軌系數(shù)、輪對(duì)橫移量以及車輪抬升量的變化規(guī)律。
　　開(kāi)展了列車-隧道土體動(dòng)力耦合系統(tǒng)地震響應(yīng)數(shù)

5、值模擬研究。以某盾構(gòu)隧道及其內(nèi)運(yùn)行列車為研究對(duì)象，建立了列車-隧道-土體耦合系統(tǒng)有限元模型，計(jì)算了耦合系統(tǒng)在重力及外水壓力作用下的初始狀態(tài)，以此為基礎(chǔ)分析了地震激勵(lì)對(duì)耦合系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響。討論了地震頻譜特性、土層條件、地震強(qiáng)度以及列車速度對(duì)列車四項(xiàng)脫軌安全指標(biāo)的影響程度及規(guī)律，討論了列車在地震作用下的脫軌安全域。
　　開(kāi)展了列車-路堤-土體動(dòng)力耦合系統(tǒng)地震響應(yīng)數(shù)值模擬研究。以某計(jì)劃鋪設(shè)路基線路及其上運(yùn)行列車為研究對(duì)象，建立了列車