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。     

过渡段刚度变异性对车轨系统动力响应的影响

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.     

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。     

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。     

地铁直线轨道波磨成因及发展特性

为分析地铁直线段钢轨波磨的成因及发展特性,基于轨道结构有限元模型和车辆-轨道耦合动力学模型,运用模态分析和动力分析对钢轨波磨的产生和发展进行研究。结果表明：（1）实测波磨的线路条件和通过频率范围与Pinned-Pinned共振导致的响轨波磨接近,初步认为该区段发生的波磨可能为响轨波磨;（2）轨道结构模态分析发现,513.7Hz处的振动模态为轨道结构的横向Pinned-Pinned共振模态,1050.0Hz处的振动模态为轨道结构的垂向Pinned-Pinned共振模态;车辆-轨道耦合模型动力分析发现,钢轨垂向振动加速度级在中心频率500Hz和1000Hz处幅值较高,分别为69.7dB和70.1dB,且上述中心频率所对应的三分之一倍频程带宽为轨道结构发生Pinned-Pinned共振的频率范围,因此分析认为该线路上的钢轨波磨为轨道结构Pinned-Pinned共振所致的响轨波磨;（3）不同轨枕间距和运营速度下的钢轨垂向振动加速度级变化趋势基本一致,且中心频率500Hz和1000Hz处的钢轨垂向振动加速度级幅值较高。随着轨枕间距和运营速度的变化,500Hz和1000Hz处的钢轨垂向振动加速度级变化趋势相同;通过改变轨枕间距和运营速度,可以使得钢轨垂向振动加速度级发生明显变化,说明适当的轨枕间距（700mm左右）和运营速度（80km/h左右）能够有效的控制响轨波磨的产生和发展。     

基于ANSYS/LS-DYNA的车轮椭圆化对轮轨滚动接触的影响

运用Proe、Hypermesh建立了二维轮轨接触有限元模型,通过动力分析有限元程序AN-SYS/LS-DYNA,采用隐式显式分析方法计算了车轮椭圆化情况下的轮轨滚动接触.仿真结果分析表明:当椭圆化车轮长轴与轨道接触时,轮轨垂向接触力最小,当椭圆化车轮短轴与轨道接触时,轮轨垂向接触力最大,这样将导致车轮的椭圆化加剧,进而轮轨垂向接触力也增大,周而复始,会造成对车轮和轨道的破坏.轮轨垂向接触力随着车轮椭圆化的加剧和车速的提高而增大,且椭圆化波深比速度的影响更为显著.行驶路程相同的情况下,椭圆化车轮的车轴垂向加速度比新轮的要大,而且随着车速的提高,车轴垂向加速度也随之增大.车速300 km/h时椭圆化车轮最大允许波深为1.25 mm,350 km/h时椭圆化车轮最大允许波深为1 mm,超过上述限度时,需对轮对进行镟修.     

基于格林函数的轮轨缺陷对轮轨垂向动态相互作用的研究

在轮轨垂向耦合振动模型中,把钢轨考虑成离散支撑的连续的铁木辛科梁,用一系悬挂和二系悬挂把在钢轨上滚动的车轮、1/4构架质量块和1/8车体质量块连接起来作为简化的车辆模型。为了高效精确地研究不同车轮和钢轨缺陷对轮轨垂向动态相互作用的影响,对钢轨在移动载荷作用下的运动方程进行拉普拉斯变换,用格林函数法求解其在频域上的响应解,再通过反傅里叶变换求得钢轨在时域内的振动响应。考虑不同工况下车轮的扁疤、多边形化缺陷和钢轨的波磨缺陷,用非线性赫兹接触理论和数值迭代方法计算轮轨垂向冲击力。结果表明:应用格林函数法可以高效准确地求解轮轨垂向动态响应,为在高频范围内研究轮轨作用提供了理论基础。     

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.     

路基不均匀沉降对车辆和轨道动力响应的影响

以经典车辆-轨道耦合动力学为基础,推导了考虑重力的板式轨道相关结构振动方程,结合多刚体的车辆系统动力学模型,建立了考虑重力的车辆-板式轨道垂向耦合分析模型,提出了通过路基反力变化模拟路基不均匀沉降的具体方法,并对模型和方法进行了必要的验证.利用该模型研究了行车速度及路基不均匀沉降(包括路基不均匀沉降幅值、路基不均匀沉降波长等)对系统动力响应的影响.研究表明:随着行车速度和路基不均匀沉降幅值的增加,系统响应均相应增加,路基不均匀沉降对车辆运行影响的控制性指标应以舒适性指标为主、安全性指标为辅;随着路基不均匀沉降波长的增加,系统动力响应存在一个先增加后减小的过程,路基不均匀沉降的敏感波长与混凝土底座的长度有关.     

铁路车辆/轨道耦合系统在冲击载荷作用下的动应力分析

采用有限元方法,对我国C61型运煤货车,按照车辆/轨道系统的实际结构和边界条件建立了包括车辆和轨道系统在内的有限元模型,应用大型非线性动力分析程序LS-DYNA3D模拟车辆通过轨道错牙接头时的轮/轨系统冲击载荷,然后进一步计算侧向架和钢轨在冲击载荷作用下的动应力。计算结果表明,车轮和轨道之间的动态接触力大约是静轮载的2倍,与现场试验结果基本吻合;侧向架和钢轨在冲击过程中的应力和变形比较大。