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.     

路面激励相干函数对车桥系统随机振动响应的影响

采用虚拟激励法建立多点输入相干激励车桥耦合随机振动模型,研究路面不平顺相干函数对车桥耦合系统振动响应的影响.将三轴自卸汽车离散为三维九自由度弹簧-质量-阻尼体系,桥梁离散为板-壳实体单元,考虑路面输入激励的相干性,研究Naryanan相干函数、Dieter相干函数和Zhang相干函数对车桥耦合系统振动响应及频谱特性的影响.研究结果表明:不同的相干函数对位移均方根和加速度均方差的影响效果不同;相干函数仅影响共振能量大小,不改变路面激励与车桥耦合系统的共振频率;研究车桥耦合随机振动响应时,路面激励相干函数对桥梁振动响应的影响可不计,但对车辆振动响应的影响不可忽略.     

轨道不平顺速度项对车桥动力响应的影响分析

轨道不平顺的速度项对车桥动力响应的影响，在以往车桥耦合振动分析中往往被忽略．首先阐述轨道不平顺速度项的概念和求解方法，然后对是否考虑轨道不平顺速度项所产生车桥振动响应的结果进行了分析比较．结果表明，两种计算差别比较显著，考虑轨道不平顺速度项的分析结果与实测数据更为接近．     

基于GPU的车辆-轨道-地基土耦合系统 3D随机振动并行计算方法

针对轨道不平顺随机特征导致车辆-轨道-地基土耦合系统随机分析计算效率低的问题,采用虚拟激励法降低大样本分析的计算量;针对耦合系统等效刚度矩阵的稀疏特性,采用行压缩(Compressed Sparse Row,CSR)格式存储大型稀疏矩阵,采用预处理共轭梯度法(Preconditioned Conjugate Gradient,PCG)求解对称正定的等效静力平衡方程,最后通过MAT-LAB-CUDA(Compute Unified Device Architecture)混合平台开发基于GPU的并行计算程序.数值算例表明:基于MATLAB-CUDA混合平台求解等效静力平衡方程的效率是串行多点同步算法的86.13倍,大大缩短了随机振动分析的总计算时间,且内存占用小、易于在个人计算机上实施;采用PCG法求解车辆-轨道-地基土耦合系统形成的大型稀疏线性方程组时,建议以加速度指标作为迭代收敛精度的控制指标;可通过选取适当的迭代收敛精度,以达到计算精度和计算效率的平衡.     

铝合金地铁车内低频结构噪声特性预测

针对轨道不平顺引起地铁车辆车体壁板振动产生的车内低频结构噪声问题,建立了铝合金地铁车辆车体结构有限元模型、车内声场边界元模型和车辆轨道耦合模型,进行了动力学分析,得到轨道随机不平顺激励下,车体所受激励载荷并施加于车体结构的有限元模型,在ANSYS软件中进行了车体结构谐响应分析,得到车体振动响应.将得到的车体振动响应作为边界条件传递给车内声场边界元模型,在SYSNOISE软件中计算了频率0～200 Hz范围内车内不同位置的低频结构噪声分布特性.结果表明:车内最大声压级超过75 dB;车体结构特点以及激励载荷情况直接影响车内结构噪声特性;减少轮轨激励载荷或优化车体结构,均可降低车内结构噪声.     

列车随机激励下铁路站房结构振动响应分析

列车激励模拟是铁路站房结构振动响应分析首先要解决的问题,目前站房结构振动响应分析中列车激励时程多采用简单列车模型或典型频率谐载组合进行模拟.根据车辆随机振动理论,考虑完整的轨道不平顺谱和轮对间轨道输入相关性,模拟得到基于二系悬挂10自由度列车模型的列车随机激励时程,通过与现有实测数据及模拟时程对比,验证了所得激励时程时频域内的合理性.进行列车随机激励下天津西站大跨度站房结构振动响应分析,研究结构各层振动响应的频谱特性及RMS评价,结果表明：候车厅层振动卓越频率位于人体对竖向振动的最敏感频率范围内,应注意其对人体舒适度的影响.     

车轨桥振动系统垂向模型和空间模型的比较

分别建立了车辆-轨道-桥梁系统的垂向耦合振动模型和空间耦合振动模型,并通过功率普密度得到轨道高低不平顺的时域模拟样本,以其作为激励,分析两种模型下车辆-轨道-桥梁耦合振动系统的振动响应。通过对比相同轨道高低不平顺激励下垂向振动模型和空间振动模型的垂向振动响应计算结果,分析了两种模型的优缺点和适用性。     

高速列车系统振动响应随运行速度的变化特征

运行速度不断提升是当今高速列车发展的趋势;而车辆系统振动响应随运行速度的变化特征可作为衡量列车设计性能好坏的指标。采用多体动力学软件和有限元方法相结合,建立刚柔耦合的列车动力学模型;其中轨道不平顺激励中的动态不平顺部分采用实车实测数据标定。通过仿真,获得车辆系统在0~50 Hz频率范围内的振动响应随运行速度的变化特征。结果表明,随着运行速度的提高,车辆系统振动响应与平稳性指标呈现非单调的增长趋势。受轨道板长度为周期的动态不平顺激励影响,车辆在低速存在不利运行速度区域。     

基于频域分析方法的轨道高低不平顺敏感波长的研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论,根据车辆-轨道垂向耦合系统的振动传递特性,计算轨道高低不平顺敏感波长的精确值,研究轨道高低不平顺敏感波长的分布特征以及车辆运行速度对敏感波长的影响规律。研究结果表明:基于车辆-轨道垂向耦合系统的振动传递特性,可以得出轨道高低不平顺敏感波长的精确值;轨道高低不平顺敏感波长可以分为2个部分,其中,一部分为波长大于5 m的中、长波段,该波段中敏感波长分布较离散,另一部分为波长小于5 m的短波段,该波段中敏感波长分布较密集;车辆运行速度对敏感频率及敏感波长有较大的影响,随车速的增大敏感频率出现"频移现象",具体表现为敏感频率随车速的增大而增大;但是敏感波长并不是随车速的增大而单调递增的,而是由敏感频率的"频移"速率与车速增大速率的比值决定的。     

地震作用对钢桁梁桥车桥系统耦合振动的影响分析

为了研究地震对车桥系统耦合振动的影响,采用最小二乘法对地震加速度进行校正拟合,消除位移时程因直接对加速度时程积分出现的漂移现象。根据弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的对号入座法则,将轨道不平顺作为系统的自激激励源,地震作为外部激励,建立考虑地震作用的车桥系统耦合振动方程。并以某钢桁梁桥为例,采用计算机模拟的方法,建立列车和桥梁动力分析的有限元模型,研究地震对车桥系统耦合振动的影响。研究结果表明:在地震作用下,桥梁的动力响应主要取决于地震力,横向地震波对车辆与桥梁的横向动力响应具有非常重要的影响;竖向地震波主要影响车桥系统的竖向振动,对横向振动影响很小;但是,竖向地震波对脱轨系数、轮重减载率、车体竖向加速度的影响较显著,因此,在评判桥上列车的运行安全性时必须考虑竖向地震波的影响。     

轨道随机不平顺与车辆动力响应的相干分析

介绍了现场实测的轨道随机不平顺数据和根据轨道不平顺模拟的轨道不平顺随机时域函数 ,作为车辆 -轨道系统动力仿真计算的激扰输入 ,计算轮轨作用力及车辆的各种响应 .利用中国高速低干扰轨道不平顺谱、中国某干线实测轨道不平顺谱和美国六级轨道不平顺谱作为仿真计算的激扰 ,计算了各种速度下的轮轨力和车辆动力响应 ,并进行了比较 .最后通过对轨道不平顺与车辆动力响应的相干性分析 ,得出了轨道随机不平顺影响轮轨作用力和车辆运行品质的最不利波长     

公路简支梁桥在车辆荷载作用下的动力响应分析

把车辆和桥梁看作两个分离的子系统,分别应用d’Alembert原理和有限元法建立它们的振动微分方程,通过两个子系统之间的位移协调条件和相互作用力相等的原则将车辆和桥梁的振动微分方程耦合起来.利用有限元软件ansys的二次开发APDL语言编写了求解车桥耦合系统振动微分方程的命令流,以路面随机不平顺为激振源,进行了车桥耦合系统动力响应的计算,研究了路面不平顺及车辆参数对桥梁动力响应的影响.计算结果表明,路面等级、车速、车辆悬架刚度、车辆悬架阻尼对桥梁结构动力响应的影响明显;车重、轮胎阻尼、轮胎刚度的影响次之.     

重载铁路焊接接头不平顺对轮轨动态作用影响

为研究焊接接头不平顺演变对车辆-轨道动态相互作用的影响,现场跟踪测试得到不同服役时期的焊接接头不平顺数据,并利用车辆-轨道垂向耦合动力学模型,从时域和频域两个角度,分析计算了不同服役时期焊接接头不平顺对车轮、钢轨振动加速度及轮轨垂向力的影响.分析结果表明:焊接接头不平顺演变分为马鞍形凹陷形成阶段及焊缝区域内磨损加速阶段;焊接接头不平顺几何形态的演变对时域内轮轨动态响应结果影响显著,随着焊接接头不平顺几何形态演变,轮轨动态响应结果呈先增大后减小再增大的趋势;焊接接头不平顺几何形态演变对轮轨动态响应的频域分布影响较小,轮轨动态响应功率谱密度图中存在明显两个频段,分别为低频段31~35 Hz及高频段530~610 Hz,高频段具体位置和焊缝区域内不平顺几何形态联系紧密.     

考虑温度影响的上承式钢管混凝土拱桥列车走行性研究

通过建立客车与钢管混凝土拱桥的车桥耦合动力分析模型,根据势能驻值原理及形成结构矩阵的"对号入座法则"[1],导出车桥系统的空间振动矩阵方程。考虑温度变形对轨道不平顺的影响,计算了列车以不同速度通过该桥的空间振动响应,基于合理的列车走行性评价指标,检算该桥是否具有足够的横向、竖向刚度及良好的运营平稳性。     

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.     

高速列车系统振动响应随运行速度的变化特征分析

运行速度不断提升是当今高速列车发展的趋势,而车辆系统振动响应随运行速度的变化特征可作为衡量列车设计性能好坏的指标。本文采用多体动力学软件和有限元方法相结合,建立刚柔耦合的列车动力学模型,其中轨道不平顺激励中的动态不平顺部分采用实车实测数据标定。通过仿真,获得车辆系统在0-50Hz频率范围内的振动响应随运行速度的变化特征。结果表明,随着运行速度的提高,车辆系统振动响应与平稳性指标呈现非单调的增长趋势。受轨道板长度为周期的动态不平顺激励影响,车辆在低速存在不利运行速度区域。     

考虑多影响因素的铁路矮塔斜拉桥冲击系数

为研究铁路矮塔斜拉桥的冲击系数,基于车桥耦合振动理论和多体动力学有限元方法,建立了铁路矮塔斜拉桥的车桥耦合振动分析模型.以4座铁路矮塔斜拉桥为例,基于概率统计方法研究了桥梁位移、弯矩、剪力等的冲击系数分布规律.采用数据拟合和假设检验相结合的方法,推导出考虑桥梁跨度、列车速度、桥梁自振基频及轨道不平顺随机性等多因素的冲击系数表达式.结果表明,基于UM软件的铁路矮塔斜拉桥车桥耦合振动模型计算结果与实测结果吻合良好,铁路矮塔斜拉桥冲击系数的概率分布符合极值Ⅰ型.基于95％概率保证率,冲击系数计算公式所得的实桥计算值与实测值的最大误差仅为6.94％,说明该公式可用于指导工程实践.所提公式可反映冲击系数与列车速度的相关性,填补了现行规范中缺少矮塔斜拉桥冲击系数计算公式的不足.     

地震方向对转子系统随机响应的影响

目的研究地震方向和转子不平衡与水平地震耦合随机激励对悬臂双盘转子系统随机振动的影响,对转子系统的动力参数的合理确定及随机振动控制提供了依据.方法应用虚拟激励法,通过计算机数值模拟,分析了悬臂双盘转子系统的随机响应.结果分析结果表明,水平方向地震时转子系统的随机响应相对比较强烈;地震和转子不平衡耦合随机激励对转子系统的随机振动的影响不相悖,但也不是线性叠加的关系;由于悬臂端圆盘所受到的约束相对比较差,故随机振动的响应较为强烈,主要的随机振动能量发生于低频,应该提起注意.结论利用虚拟激励的方法分析双盘转子系统的随机振动响应是可行的,分析结果对转子系统的进一步研究及提出转子系统工程实用的简化设计方法,既具有科学意义又具有实用价值.     

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。     

基于PDEM的TTR参数振动响应分析策略

提出了一种基于概率密度演化方法(PDEM)的结构动力可靠性分析策略,以一个特定的顶张紧式立管(TTR)为算例,计算了其随机参数激励振动响应的平均超越率,进而较为准确地评估了立管的动力可靠性.同时,还分析了立管发生参数共振时其响应概率的重尾分布特性.最后,分析了立管振动系统中的阻尼、参数激励强度和参数激励频率对立管振动响应的影响.结果表明:增大阻尼和减小参数激励强度可以起到减弱参数共振的效果,但是在设计阶段,最为有效的避免参数共振的方法是调整结构的各阶固有频率,使其远离参数激励谱峰值频率的一半;当各阶固有频率与谱峰值频率的比例不在46%～67%范围内时,参数共振效应很弱,可以忽略不计.