高速铁路路桥过渡段动力特性受其刚度变异性影响的随机性分析

针对高速铁路路桥过渡段刚度参数的变异性对车辆轨道线下基础系统动力响应的影响,运用车辆轨道耦合动力学理论,并通过修正扣件弹簧的刚度矩阵实现钢轨梁与轨下基础平面模型的垂向传力耦合,同时引入无限单元法消除边界效应,建立高速铁路路桥过渡段车辆轨道线下基础系统垂向耦合振动模型;利用该模型,应用基于拉丁超立方抽样的随机有限元法,分析了过渡段路基刚度参数变异性对过渡段车辆轨道系统动力响应的影响.结果表明,刚度参数的变异性对钢轨垂向动位移的影响大于对轮轨力及车体加速度的影响,且各动力响应主要对倒梯形部分填料的参数变化较为敏感;动力响应数据偏离正态性,在95%的置信水平下,过渡段轮轨力、车体加速度的最大值近似服从韦伯分布,钢轨垂向动位移最大值的数据分布则呈现明显的“高峰厚尾”,易出现异常大值,为减小钢轨垂向动位移以及便于管控施工质量,应适当提高过渡段路基刚度;选用钢轨垂向动位移最大值作为过渡段动力设计的安全评价指标,计算显示现行设计模糊失效概率为0.000 45,失效概率较小,动力设计较为可靠.     

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。     

冻胀变形下高速铁路车辆-轨道-路基耦合系统的动力效应

季冻区严酷的自然环境对高速铁路的高标准运行产生了极大影响,甚至会对高速铁路造成永久性破坏。为探究季冻区高速铁路路基冻胀变形作用下对车辆-轨道-路基耦合系统动力效应的影响,以银西高速铁路某冻胀区段为背景,结合车辆-轨道-路基系统动力学的原理和分析方法,建立了简化后的动力学模型;选取了典型的单波余弦冻胀波形（冻胀波长 λ =10 m, 冻胀峰值 f =10 mm）,分别探讨了轨道系统与车辆系统的动力学效应,并据此确定了轨道刚度的合理取值。研究结果表明：在路基冻胀变形作用下,轨道系统中轨道各部件动压力、动位移及动加速度幅值在低频段（0~200 Hz）发生明显波动,扣件刚度与道床刚度的最优刚度比为0.5,轨道总刚度的合理取值在62~87 kN/mm范围为宜;车辆系统中车辆轮重减载率及车体垂向加速度与冻胀波长 λ 成反比关系,与冻胀峰值 f 成正比关系。     

地铁浮置板轨道过渡段参数对隧道和土体振动的影响

为研究地铁车辆通过浮置板轨道过渡段时隧道和土体的动力响应规律,提出了时域高效计算的隧道-饱和土体半解析环状层单元,结合车辆-轨道动力学,建立了车辆-浮置板轨道过渡段-隧道-土体系统耦合动力计算方法,研究了浮置板轨道过渡段长度、钢弹簧刚度等参数对隧道振动加速度、土体正应力和孔隙水压力的影响。结果表明,过渡段参数设计需重点关注2个刚度突变位置的动力响应,采用钢弹簧刚度渐变方案时,3个动力响应指标分别降低60%、15%和25%。     

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.     

基于动柔度法的车-线-桥垂向耦合振动分析

利用动柔度的思想建立高速铁路车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学频域模型。将车辆看作具有10自由度的多刚体系统,推导出车辆系统的动柔度;将钢轨看作无限长Timoshenko梁、轨道板简化为自由-自由的Euler梁、桥梁简化为简支Euler梁,扣件系统和CA砂浆层用线性弹性阻尼单元模拟,从而建立线-桥垂向动力相互作用系统,利用动柔度的思想求得线-桥垂向动力相互作用系统的动柔度;利用线性化Hertz接触理论,将车辆系统与线-桥垂向动力相互作用系统耦合成车-线-桥垂向耦合振动模型。分别求解单位简谐激励、轮轨几何粗糙度激励下的轨道系统和桥梁结构的动力学响应,最后结合虚拟激励法求解轨道谱激励下的轨道系统和桥梁结构的随机振动响应。研究结果表明:利用动柔度思想建立的频域车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学模型,具有逻辑清晰、求解快速的特点,能够直接求解系统在频域的动力学响应。     

运行条件下车辆-轨道-路基-地基强耦合大系统振动变形精细化分析方法

目前国内外用于模拟路基上车辆运行的动力学主流模型有多刚体线弹性模型和多刚体与实体混合模型两类，为克服两类模型的不足，采用精细化建模技术，开发了强非线性强耦合全柔性的车辆-轨道-路基-地基一体化模型，提出了相应的动力学分析方法.该分析方法先模拟场地初始地应力场，而后仿真路基分层填筑和轨道系统的铺设，以此作为车辆运行的起始条件；采用轮轨三维弹塑性滚动接触算法，考虑钢轨整个顶面存在的随机不平顺，在时域内表征车轮与钢轨的动力相互作用；以精度高、鲁棒性好的三维黏弹性静-动力统一人工边界模拟无限地基的辐射阻尼和弹性恢复性能；采用经过验证的加速策略来模拟车辆从静止加速到期望速度、并在此后保持该速度恒定运行的完整过程.该方法解决了在具有初始应力应变条件和波动边界条件下路基上车辆运行三维精细化模拟的难题.以路基为例探究了车辆-轨道-路基-地基大系统的振动变形特性，模拟结果验证了该方法的合理性.该分析方法还可用于高速铁路、地铁和重载铁路等领域中，开展车辆与轨道和线下结构(隧道、桥梁和过渡段等)的耦合动力学研究.     

多种垂向轮轨关系的对比及改进的车-线-桥系统迭代模型的建立

对比分析非线性赫兹接触、线性赫兹接触、刚性接触这3种轮轨接触模型对车-线-桥垂向耦合系统动力分析结果的影响,并建立改进的车-线-桥耦合系统迭代计算模型。车辆模型采用多体系统动力学建立,轨道-桥梁模型采用有限元方法建立,根据不同的轮轨接触模型,建立相应的轮轨力计算公式,并采用分离迭代法计算耦合系统振动响应。在数值算例中,以高速列车通过5跨简支梁桥为计算背景,对不同轮轨接触模型的仿真计算结果进行对比分析。针对传统车-线-桥耦合系统迭代计算模型计算效率低的问题,建立改进的迭代计算模型。研究结果表明:线性赫兹接触模型与非线性赫兹接触模型得到的车体加速度、轮轨力、钢轨和桥梁的位移和加速度均较吻合,但前者的计算效率较低;忽略轮对惯性力的刚性接触模型无法得到准确的钢轨和桥梁加速度;改进模型通过建立包含轮轨接触弹簧的车辆模型来提高车辆子系统的迭代稳定性,其计算效率比传统模型提高近7倍;为保证计算结果的准确性,车-线-桥耦合振动计算中应考虑时间步内的迭代计算。     

道砟胶分段固化道床动力性能测试与分析

为解决有砟-无砟轨道过渡段病害较严重的问题,在部分线路上采用道砟胶分段固化道床技术控制道床的沉降。道床固化后,对过渡段固化道床进行动态测试。研究结果表明:道砟胶分段固化后的线路满足安全性指标;分段固化后的道床动态刚度逐段增大,道床局部黏结断面、部分黏结断面、全黏结断面分别达到91,126和273k N/mm,较有砟道床断面分别提高1.28倍、1.75倍和3.78倍;轮轨力、减载率、钢轨垂向加速度自有砟轨道至道床全固化断面逐渐增大;钢轨垂向位移、轨枕垂向位移、轨枕垂向加速度自有砟轨道至道床全固化断面逐渐减小,实现了从无砟轨道到有砟轨道的过渡效果。     

轨道纵向刚度变化对快速列车轮轨受力的影响

由于轨道刚度是铁路轨道设计的重要参数,直接影响到列车的运行安全和平稳性,因此运用车辆－轨道垂向系统统一模型和新型预测－校正数值积分法,对铁路快速列车以不同速度通过因道床和轨下垫层刚度变化而引起的动力不平顺轨道段时车辆和轨道的响应进行了仿真计算,干涉分析了轨道纵向刚度变化对铁路快速列车轮轨受力的影响。