高速列车作用下路基上板式无砟轨道动力系数

基于列车-轨道耦合动力学理论,建立列车-板式无砟轨道-路基三维有限元耦合动力学模型,并对建立的三维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,对列车在路基上板式无砟轨道线路上高速行驶时,在线路平顺工况和各种不平顺工况下,无砟轨道各部件动力特性和相应动力系数进行理论研究。研究结果表明:在线路平顺状态下,车辆轮载及无砟轨道各部件动力响应很小,动力系数不超过1.2;在线路中长波随机不平顺激扰下,轮载动力系数接近2,无砟轨道各部件动力系数在1.70～2.06之间,轮载动力系数和无砟轨道各部件动力系数相差不大;短波不平顺对轮载动力系数有很大的影响,由于短波不平顺引起的振动在无砟轨道中衰减很快,其对无砟轨道上部部件动力系数的影响较大,而对无砟轨道下部部件动力系数的影响很小。     

高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道结构动力特性分析

为了分析京沪高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的动力响应,通过建立无砟轨道结构-下部基础结构动力有限元分析模型,得到了结构前10阶模态和不同列车速度下无砟轨道结构的动力特性.分析结果表明:桥梁上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的自振频率都比规范的限值大,说明桥梁有足够的刚度保证列车行驶的安全性和舒适性;桥梁上板式无砟轨道结构的前10阶振型中大部分振型表现为横向扭转,桥梁结构横向刚度相对较小,在实际的高速铁路桥梁结构中应注意桥梁的横向稳定性;无砟轨道结构各个构件的竖向位移、竖向加速度、板底水平拉应力及CA砂浆层竖向压应力均随列车速度的增大而逐渐增大;线下基础结构顶面竖向压应力存在转折变化点.     

焊缝不平顺对车辆-无砟轨道-路基系统振动特性的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论,应用有限元方法建立车辆-CRTSIII型板式无砟轨道-路基系统垂向耦合动力学模型,对高速车辆通过钢轨焊缝不平顺的动力学响应进行了仿真分析,并对比了不同形式钢轨焊缝不平顺对系统的影响。有限元计算结果表明:高速行车条件下,钢轨焊缝不平顺会引起车辆、轨道、路基系统动力学性能不同程度的变化,引起轮轨力响应增大,对与不平顺直接接触的轮对和钢轨振动产生较大影响,对行车舒适性影响有限。不同形式的焊缝不平顺对系统影响程度各有不同,凹、凸型焊缝不平顺对动力特性的影响相对接近,凹型焊缝不平顺叠加一短波不平顺后,对轮对和轨道结构振动加速度影响明显,轨道结构应力增大,受力状态恶化。在高速铁路日常运营维护中,应重视钢轨叠加焊缝不平顺引起的冲击振动作用。     

有砟及无砟轨道结构对货物列车运行安全性的影响

基于列车-有砟及无砟轨道系统空间振动计算模型,采用列车脱轨能量随机分析方法,分别计算货物列车在有砟、无砟轨道上的脱轨全过程,得出2种车轨系统横向振动极限抗力作功及其动力响应,分析货物列车的运行安全性、2种车轨系统的空间振动特性。研究结果表明:与有砟轨道相比,无砟轨道的抗脱轨能力最大可提高45.9%,车速为90 km/h时无砟轨道上车体竖向Sperling平稳性指标、轮对横向力、轮轨竖向力分别减小73.5%,22.1%和27.3%;无砟轨道各部件横向位移、加速度均小于有砟轨道相应值,而钢轨竖向位移大于有砟轨道相应值,但由于无砟轨道竖向位移主要由扣件承担,导致钢轨传至道床板的竖向位移衰减75.3%;无砟轨道各部件竖向加速度均大于有砟轨道相应值,产生的振动、噪声对周围建筑影响更大。建议在重载铁路新线设计中优先采用无砟轨道,但应采取减振降噪措施。     

无砟轨道复合不平顺对高速行车的影响

轨道复合不平顺是由多种垂、横向不平顺叠加而成的复杂随机波,是影响轮轨动态作用和行车稳定的重要因素.为研究高速铁路无砟轨道复合不平顺对行车品质的影响,考虑轮轨间复杂接触关系建立了车辆轨道空间耦合动力学模型,分析了轨向-水平、轨向-高低、轨距-水平、轨距-高低4种复合不平顺的动力影响.结果表明:随着复合不平顺幅值的增加,轮轨力、车体加速度、轮重减载率、脱轨系数等均会增大;轮轨力、舒适性指标和安全性指标随着复合不平顺波长的增大而减小;复合不平顺幅值组合变化时,车辆动力响应对水平、高低不平顺幅值变化的敏感程度高于轨向、轨距不平顺幅值变化.长波不平顺激扰频率与车体自振频率一致或接近时,车体会出现一定的谐振,垂、横向振动加速度有所增加.     

扣件失效对地铁整体道床动力性能的影响

为研究扣件失效对地铁整体道床轨道及车体振动性能的影响,基于结构动力学理论建立地铁列车-整体道床(隧道衬砌)耦合分析模型,采用弹簧阻尼模拟土体,采用模态分析和Newmark法求解动力响应,研究列车速度、扣件失效数量和轨道不平顺对地铁车轨振动的影响。研究结果表明:扣件失效会加剧系统振动响应,对车体加速度影响较显著,但对钢轨位移和轮轨接触力的影响相对较小;列车速度对钢轨位移和邻近扣件反力的影响较小,对车体加速度和衬砌加速度影响显著;随着失效扣件数量增加,车体竖向加速度等系统动力响应增幅明显;在考虑轨道不平顺的情况下,扣件失效会加大钢轨加速度和衬砌加速度的振级,而车体竖向加速度可作为确定失效扣件位置的敏感指标;扣件失效会增大邻近扣件的受力,造成二次失效,影响乘客舒适性和周围环境振动,需要及时检修,保障地铁正常运行。     

轨道不平顺短波分量对列车-简支梁桥耦合振动的影响

轨道不平顺作为车-桥耦合振动的主要激励源,直接影响桥梁及高速列车运行的安全性和舒适性.为研究轨道不平顺中短波分量对列车-简支梁桥耦合系统动力响应的影响规律,以高速铁路32m简支箱梁为例,采用德国高速低干扰轨道不平顺谱生成轨道不平顺样本,建立了列车-轨道-桥梁耦合系统空间动力学分析模型.对比分析了5种不同最短截止波长的轨道不平顺样本对耦合系统振动响应的影响规律.研究结果表明:轨道不平顺样本中1m左右的短波长分量会显著增加轮轨力、轮重减载率、脱轨系数和桥梁跨中加速度,但对桥梁跨中位移、轮轨偏移量和车辆振动加速度的影响较小;1~2m的短波长成分是引起轮重减载率超标的主要因素,减少轨道不平顺中1~2m的短波长分量可以有效提高列车行车安全性指标.     

客运专线板式无碴轨道动力设计参数

基于高速列车-板式无碴轨道时变系统竖向振动分析理论,研究了车速、轨道几何不平顺幅值、CA砂浆刚度及阻尼等动力学参数对此系统竖向振动响应的影响规律。在此基础上,进一步得出了合理的CA砂浆刚度取值范围。研究结果表明:高速列车-板式无碴轨道系统竖向振动响应均随车速及轨道几何不平顺幅值的增大而增大;合理的CA砂浆刚度取值范围为1.0~1.5 GPa/m;CA砂浆阻尼应尽可能取较大值,有利于降低轨道板的振动,延长板式无碴轨道结构的使用寿命。     

基于改进迭代模型的车-桥耦合系统竖向随机振动研究

采用改进的车-桥耦合系统迭代计算模型,建立了基于虚拟激励法(PEM)的列车-轨道-桥梁竖向随机振动分析模型.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,并运用分离迭代法求解车-桥耦合系统振动方程.以CRH2高速列车通过5跨简支梁桥为例,对改进的车-桥耦合系统迭代计算模型的计算精度和效率进行了验证.结果表明:在保持与传统模型相同计算精度的前提下,改进模型能使计算效率提高5倍左右.通过对列车-轨道-简支梁桥竖向随机振动响应中确定性激励引起的均值和轨道不平顺引起的均方根进行分析可知:桥梁竖向位移主要受列车自重控制,轨道不平顺引起的桥梁竖向位移影响很小;桥梁和车体竖向加速度受轨道不平顺影响显著,改善线路条件能有效提高列车的乘车舒适性;同时,车速越高,桥梁和车辆随机响应的均方根越大,由轨道不平顺引起的耦合系统振动响应的离散度越大.     

纵连板式无砟轨道简支梁桥动力响应试验研究

开展了行车条件下高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道-桥梁系统的动力响应现场测试,测试CRH380A-001型列车以285~350km/h时速通过时无砟轨道-32m标准预应力混凝土简支梁的动力响应.通过现场采集与数据分析,得到了钢轨、轨道板、底座板、桥面板的竖横向加速度幅值,桥墩顶纵横向绝对位移.结果表明:结构各层加速度在列车时速达到295km/h左右时,急剧增大,之后顺速降低,出现陡波峰;车致振动加速度响应自钢轨-轨道板-底座板-桥面板,自上至下呈明显的递减趋势,振动衰减较为明显.此外,基于实测的梁体自振频率与阻尼比,分析了梁体动挠度的简化计算方法,计算结果与实测梁体动挠度较接近.实验结果可为改进数值分析模型、验证计算结果提供依据.     

轨道-路基体系一致动力相似设计方法与动力试验

在室内动力试验中,为考虑缩尺模型轨道和路基结构的动力效应以及二者的相互作用,提出了轨道-路基体系一致动力相似设计方法:即在对轨道结构进行动力相似设计的同时,保持轨道-路基模型的加速度相似比为1,再通过轨道和路基遵循相同的长度相似比、控制路基模型剪切波速相似来进行路基结构动力设计.采用该方法进行了缩尺比为1/4的轨道-路基模型结构的相似设计,开展了不同激振频率工况下模型体系的动力试验,测试并分析了路基模型不同位置处的加速度反应等,确定了试验模型体系一阶固有频率.结果表明:加速度在向下传递过程中存在时间尺度上的滞后效应;同一激振频率下,路基不同结构层处加速度频谱分析的特征频率一致.     

路基冻胀对高速列车-轨道耦合系统动力特性的影响

在车轨耦合动力学理论的基础上,通过对高速列车-无砟轨道-路基耦合系统模型有限元进行分析,研究高速铁路路基不均匀冻胀对列车、轨道的动力学影响,分析不同条件下冻胀变形引起的系统振动响应规律,进而提出相关改善措施以利于系统良性发展.结果表明,路基不均匀冻胀会引起列车与轨道产生互相影响的动态响应,降低了轨道结构的服役性能,同时不利于行车安全.在典型冻胀情况下,列车进入冻胀区域后,在起始位置受到振动所造成的影响比较大;随着路基冻胀波长的增加,对车体的振动影响相继减少,而冻胀峰值的影响则相反.对冻胀波长25 m范围内,特别是10～15 m路基冻胀进行整治,可增强行车安全性和乘坐的舒适性.同时,重点控制路基高冻胀峰值能有效减少轨道结构的疲劳损伤.     

中厚板立辊轧机主传动系统扭振非线性研究

根据中厚板立辊轧机的实际参数,建立了轧机主传动系统的4自由度非线性振动模型,采用MATLAB软件编程求出了振动方程的数值解,并用相图和庞加莱映射的方法分析振动系统随电机激振频率变化的准周期运动和混沌运动现象。     

道床板结对轨道振动的影响

根据实测的加速度波形及其能量谱密度图,采用二自由度钢轨振动理论,定性地分析道床板结对钢轨振动的影响：道床结构使钢轨垂直加速度振动总能量增加,对轨枕竖向振动的影响较钢轨的大;道床板结对道床垂直振动的影响不大,但使振动能量集中部分频率降低;道床板结使钢轨和轨枕的位移有所降低,因此减弱了整个轨道系统的弹性功能。     

体育馆大跨度预应力次梁楼盖竖向振动模态分析

以重庆市铜梁县新城核心区小学建设项目3#楼(体育馆)工程为背景,对其大跨度预应力次梁楼盖竖向振动模态进行模拟分析,并与实测结果相比较,评价其控制竖向振动舒适度的效果。根据建模思路精确建立的该大跨楼盖有限元模型,其模态分析结果与模态实测结果接近,相对误差约为5%;模拟分析及工程实测结果表明,该大跨楼盖前三阶振型均以竖向振动为主,结构自振基频满足我国现行相关规范的要求,竖向振动舒适度符合标准;与无底板的大跨次梁楼盖相比,增加底板后,其增幅最小的一阶频率增长了19.9%,表明增加底板可有效地控制大跨度预应力次梁楼盖的竖向振动。     

超大跨度悬索桥涡激振动响应与振动控制

超大跨度钢箱梁悬索桥的结构阻尼和刚度较小,其竖向模态频率低且密集,随风速变化加劲梁可能先后发生多次涡激振动。首先针对某超大跨度悬索桥,进行有限元建模和动力分析。为研究悬索桥多模态涡激振动响应机理和有效抑振措施,^{在忽略气动刚度和气动阻尼影响时,}通过简化Scanlan^{经验非线性涡激力数学模型得到简谐涡激力数学模型。然后以各竖向模态涡振最大位移响应为优化目标,基于液体黏滞阻尼器参数敏感性分析和}TMD参数优化设计方法,分别确定阻尼器参数和TMD参数。最后探讨了黏滞阻尼器耗能系统控制悬索桥多阶竖向模态涡振的可行性,详细分析了TMD系统控制涡激振动的效果。结果表明：在塔梁间设置黏滞阻尼器对各竖向模态主要起振区域的涡振位移控制效果不理想;TMD系统能有效抑制常遇风速范围内加劲梁的多阶竖向模态涡振响应,将最大振幅严格控制在容许值以内,提高了加劲梁抵抗涡振变形的能力。     

轮毂电机驱动电动汽车机电耦合垂向动力学特性

电动车用轮毂电机受路面激励和车重的双重作用,定转子相对偏心进而产生不平衡磁拉力,其垂向分量与车辆悬架系统的垂向振动相耦合,影响电动汽车的平顺性、舒适性等性能。针对这一机电耦合问题,以一台永磁式轮毂电机为研究对象,利用磁场叠加法获得负载气隙磁密分布,引入复数相对磁导和偏心磁导修正系数,建立考虑定子开槽效应的电机偏心磁场和不平衡磁拉力解析模型,并通过有限元仿真和样机试验验证了解析模型的有效性。根据悬架系统的垂向振动与电机偏心不平衡磁拉力的实时耦合关系,利用拉格朗日法求解车辆动力学方程,建立1/4车身垂向耦合振动模型。以轮毂电机定子垂向振动加速度、车身垂向振动加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷为主要指标,研究机电耦合效应对车辆垂向动力学特性的影响,揭示不平衡磁拉力输出特性与车辆动力学响应之间的机电耦合机理。研究结果表明,机电耦合效应使电动汽车的平顺性、操稳性和安全性等性能总体下降。     

严寒地区无砟轨道温度场及轨道板温度梯度预估模型

严寒地区无砟轨道结构的温度荷载取值,是轨道结构设计及服役性能研究急需解决的关键工程问题。基于东北地区大连、沈阳、长春、哈尔滨四个主要城市的历史气象数据及热力学基本原理,建立了CRTS Ⅰ 型板式无砟轨道-路基结构热力学模型,分析在不利气象条件下无砟轨道-路基结构温度场分布特征,拟合计算结果建立了轨道板最大正负温度梯度与气象数据关系预估模型,对东北严寒地区轨道板最不利温度梯度进行讨论。结果表明：CRTS Ⅰ 型板式无砟轨道-路基结构内部温度垂向分布呈非线性,0.2米深度范围内,轨道板及路基的日温度变化幅度较为剧烈,在一日内承受正负温度梯度的交替作用,1.4m深度后路基的温度趋于平稳,变化幅度可以忽略;通过日气温温差、日太阳辐射总量、风速三个主要气象数据,可以较好的预估CRTS Ⅰ 型板式无砟轨道轨道板一日内的最大正负温度梯度;轨道板的最大正温度梯度与日温差和太阳辐射总量成正比,与风速成反比,轨道板的最大负温度梯度与日温差、太阳辐射量及风速成正比。