車輛—橋梁-軌道系統(tǒng)耦合振動精細(xì)分析理論及應(yīng)用.pdf

1、鐵路列車的發(fā)展趨勢是高速、重載、輕量化，這導(dǎo)致了更為突出的車輛—軌道動力相互作用問題，也促使了具有減振降噪性能的新型軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。與此同時，隨著我國客運(yùn)專線、高速鐵路以及城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展，一方面新型橋梁結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)以適應(yīng)列車和線路發(fā)展，另一方面，某些既有和新建橋梁結(jié)構(gòu)也成為整個線路中的薄弱環(huán)節(jié)。列車、軌道和橋梁結(jié)構(gòu)的固有耦合特性要求將它們作為一個整體大系統(tǒng)加以考察。上述鐵路交通的發(fā)展趨勢引出了一些車輛—橋梁/軌道動力相互作用領(lǐng)域

2、的精細(xì)化研究課題，如橋梁局部振動問題，柔性車體振動問題，以及車輛、軌道結(jié)構(gòu)非線性振動問題。 數(shù)值仿真計算是處理車輛—橋梁/軌道系統(tǒng)動力相互作用問題的重要手段。上述精細(xì)化研究課題的出現(xiàn)必然對車輛—橋梁/軌道系統(tǒng)耦合振動分析的數(shù)值仿真能力、仿真精度和計算效率提出更高的要求。然而，目前國內(nèi)外提出的耦合振動計算方法往往在計算模型上采用了不同程度的簡化，在計算理論上的針對性強(qiáng)而靈活性不足，從而限制了這些方法處理耦合振動領(lǐng)域新課題的能力，難

3、以適用耦合振動精細(xì)化分析的發(fā)展趨勢。針對目前已有數(shù)值計算方法的不足，為解決鐵路交通發(fā)展帶來的新課題，本文完善了車輛—橋梁/軌道系統(tǒng)耦合振動的精細(xì)分析方法并將之應(yīng)用于一些實(shí)際工程，主要完成了以下幾個方面的工作： (1)運(yùn)用有限元方法建立橋梁/軌道模型和車輛模型，基于模態(tài)疊加方法分別形成車輛子系統(tǒng)和橋梁/軌道子系統(tǒng)的運(yùn)動微分方程，可根據(jù)需要采用模態(tài)綜合法和靜力凝聚法縮減大型結(jié)構(gòu)動力自由度，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精細(xì)化建模和分析提供基礎(chǔ)。

4、 (2)橋梁/軌道子系統(tǒng)和車輛子系統(tǒng)之間的聯(lián)系通過輪軌三維滾動接觸模型實(shí)現(xiàn)，既繼承了傳統(tǒng)的輪軌密貼模型，又應(yīng)用了更為精細(xì)的輪軌非密貼接觸模型?；贙alker線性理論計算輪軌蠕滑力并采用Shen-Hedrick-Elkins理論對蠕滑力進(jìn)行非線性修正。 (3)將各子系統(tǒng)非線性內(nèi)力以及輪軌非線性接觸力處理為虛擬激振力，解決傳統(tǒng)模態(tài)疊加法在處理非線性問題上的不足，從考慮非線性的角度實(shí)現(xiàn)耦合振動的精細(xì)化分析。 (4)同時利用了

5、基于Wilson-θ、Newmark-β和新型顯式積分法的分離迭代算法以及基于Runge-Kutta的分離同步法求解系統(tǒng)運(yùn)動微分方程，以滿足不同的計算需要，并尋求最優(yōu)的計算方案。 (5)運(yùn)用譜半徑理論分別對采用輪軌密貼接觸模型和非密貼接觸模型的耦合系統(tǒng)的迭代計算穩(wěn)定性問題進(jìn)行了理論分析，并提出了相應(yīng)的解決和增強(qiáng)迭代穩(wěn)定性的措施。 (6)根據(jù)以上理論方法，編制了車輛—橋梁/軌道耦合振動分析程序VBC2.0。采用了大量數(shù)值算