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。     

1/4车-路耦合动力学模型研究

将车辆简化为1/4车模型,路面结构视为地基梁或地基板,建立车-路耦合动力学模型;通过引入动态接触算法,采用直接积分法求解,比较了车-路耦合动力学模型与静力模型结果的差别;讨论了两种模型在车辆非悬挂系质点垂向加速度、车-路耦合作用力、路面板动弯沉、动应变、接缝嵌缝料剪切应变和接缝传荷效率等的异同.结果表明,两种模型的非悬挂质点垂向加速度、车-路耦合作用力、路面板动弯沉和接缝嵌缝料剪切应变等具有较好的一致性,在动应变及接缝传荷效率等方面有一定差异;地基板模型可很好地模拟移动车辆作用下混凝土路面结构的动态响应,而地基梁模型可高效地用于路面结构的接缝传荷、嵌缝料振动模拟.建立的模型可用于水泥混凝土路面动态响应分析和路面性能评价.     

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.     

公路软基过渡段车辆振动特性影响因素

为了分析沉降变形后路面结构对车辆行驶振动特性的影响作用,采用两自由度1/4车辆模型及随机激励与离散型激励相结合的路面模型建立车辆路面耦合系统,以车身垂向振动加速度为指标,分析了路面变形模式、车辆参数、车辆行驶速度、行驶方向等因素对车辆行驶振动响应量的影响规律。研究结果表明:绝对沉降量相同时,不同路面变形模式下车辆垂向振动加速度相差为32.2%~84.6%,车身垂向振动加速度对大于80km/h的车速变化较为敏感,路面破坏变形模式与车辆行驶速度是影响车辆振动特性的主要因素,制定基于车辆振动特性的沉降控制标准时,应针对不同沉降变形模式与不同车速分别制定相应的控制标准。     

地铁列车运行对路基激振力频率特性研究

通过轮轨相互作用关系,建立由上部车辆与下部轨道两子系统组成的地车辆一轨道垂向耦合系统模型,分析了地铁列车运行引起的轨道路基激振力频率特性。讨论了其与建筑结构振动响应的关系以及相关的减振措施。分析结果表明,地铁列车运行对路基产生荷载一般在10Hz以下,特剐集中在5Hz以内,主要表现为低频段,其频谱范围与一般建筑结构前几阶自振频率接近,容易诱发建筑结构的共振,从而放大结构的振动响应。     

偏心超高层建筑的风振研究

基于结构随机振动理论,考虑了结构振型耦合以及风力相关性的影响,推导了偏心超高层建筑弯扭耦合风振计算公式.利用风洞试验获得的脉动风力数据计算了矩形截面偏心结构的风振响应,从舒适性角度研究偏心位置和截面厚宽比对结构风致振动加速度的影响.研究结果表明,当建筑短边迎风且刚心和质心在顺风向偏离时,风振响应显著增大.     

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。     

桥梁抖振力空间相关性对风-车-桥耦合动力响应的影响

基于提出的抖振力模型和建立的风-车-桥耦合振动模型,发展了一种可以考虑抖振力空间相关性的风-车-桥耦合振动分析方法,并编制了相应的计算程序.以江顺长江大桥为工程背景,测试了桥梁抖振力的空间相关性和考虑车桥耦合作用的车桥气动参数,分析研究了桥梁抖振力空间相关性对侧风作用下桥梁和车辆耦合动力响应的影响.研究结果表明:桥梁抖振力空间相关性对桥梁动力响应有显著影响,对车辆的动力响应也有一定的影响.     

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.     

基于温度-车辆荷载作用下沥青路面细观力学响应

为了研究温度-车辆共同荷载作用下沥青路面各结构层细观力学响应,依据常用沥青路面各结构层材料级配及孔隙率建立了离散元模型,通过拟合室内单轴压缩应力-应变曲线获取模型的细观参数.在此基础上,对车辆荷载和不同温度作用下的沥青路面响应进行求解,分析各结构层细观力学响应及结构层颗粒变化情况.研究结果表明:在移动荷载及温度共同作用下,随着路面结构层深度增加,垂向位移逐渐降低,温度越高垂向位移越大;各结构层垂向应力随路面深度增加而依次减小;水平方向各结构层应力情况复杂,上面层处于受压状态,其余结构层颗粒既有受压也有受拉状态;切向应力处于拉应力与压应力交替状态,温度对颗粒应力影响较大;颗粒前期速度振动较为剧烈,后期速度振动较为平缓.     

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。     

风与车流联合作用下在役桥行车舒适性研究

现有基于风-汽车-桥梁耦合振动的行车舒适性研究中,较少考虑了车流随机性和路面等级退化因素,致使分析成果具有一定局限性.本文综合考虑了车流随机性和路面等级退化等因素,运用一种新的车辆和路面等级退化模型分析大跨度桥梁的振动及行车舒适性.建立一个包含座椅及车辆纵向振动的24自由度空间车辆模型;基于考虑邻近车辆影响的改进CA(Cellular Automation-元胞自动基)模型和路面退化模型,通过桥梁和车辆相互作用力关系,建立了风-车流-桥梁系统的耦合振动方程.数值计算表明:本文所提出的方法能够合理地模拟风-车流-桥梁系统的耦合振动,且驾驶员座椅模型的各向振动对行车舒适性有显著影响.     

路面随机激励下康复机器人轮椅的抑振解析

为了有效抑制随机路面激励下康复机器人轮椅的振动,提出了一种抑制参数解析优化方法.将康复机器人轮椅的坐垫及轮胎视为具有刚度和阻尼的减振元件,建立了人体-机器人轮椅垂向振动模型;以路面不平顺随机激励作为振动模型的典型输入,推导了人体振动加速度频响函数及方均根响应解析式,并提出了振动响应系数,进而揭示了轮胎减振系统阻尼比及坐垫减振系统阻尼比对频响函数及响应系数的影响规律;基于响应系数,创建了人体-机器人轮椅抑振参数的解析优化模型.结果表明,通过解析优化模型所得坐垫及轮胎最优阻尼与数值模拟优化结果的相对偏差分别为0.3%和0.6%.模型的正确性通过实例优化及数值模拟得到了验证.     

双链式悬索桥车-桥系统的动力特性

鉴于车体点头刚度对双链式悬索桥动态响应的影响很小,采用单个移动质量-弹簧-阻尼模型模拟车辆模型,应用达朗贝尔原理和位移协调条件,推导出车-桥系统耦合振动的运动方程.考虑几何非线性及桥面不平度因素,就车辆沿桥纵轴向中心行驶和偏心行驶两种工况,探讨单个移动车辆荷载对双链式悬索桥振动响应的影响.针对车辆不同行驶速度,就该类悬索桥车辆冲击系数进行分析,理论分析与试验结果比较吻合.     

含内部子结构的圆柱壳振动特性研究

针对圆柱壳-内部子结构的耦合结构,采用缩聚传递函数对其解耦,再根据直接刚度法分别建立圆柱壳和内部子结构的数值模型,并结合缩聚传递函数法计算了原耦合结构的振动响应.引入坐标转换矩阵并考虑6个方向的耦合,从而保证本混合方法的计算精度.与有限元计算结果进行对比分析,验证了该混合方法的有效性.在此基础上分析了结构厚度、壳体长度...     

四轮随机路面激励下的七自由度车辆响应特性

为了研究不同等级道路下车辆动态响应以及轮胎动载荷的变化情况,根据国家路面不平度分级标准,采用滤波白噪声法建立了随机路面时域模型并与标准路面的功率谱密度对比验证模型的准确性。通过四个车轮之间的传递函数建立了四轮随机路面时域激励模型;并以该模型作为不平路面激励,考虑悬架拉伸和压缩状态时的不同阻尼,建立七自由度整车行驶动力学模型。研究了车辆质心垂向加速度、俯仰角、侧倾角以及轮胎动载荷随路面等级的变化情况。结果表明:车辆和轮胎的动态响应随着路面不平度的增加而增加。可见,搭建的整车模型能够很好地反映不同路面下车辆的动态响应,为车路耦合的深入研究奠定基础。     

高速磁浮轨道梁行车时的垂向动力响应仿真分析

上海磁浮运营线跨径为24.768m的轨道梁有单跨简支、简支变连续、双跨连续三种结构体系,运用有限元软件ANSYS分析了高速磁浮单跨简支轨道梁、双跨连续轨道梁的自振特性,并分别对其在车辆行驶过程中的垂向动力响应进行了仿真分析,从而得到轨道梁在磁浮车辆不同行驶速度下的垂向动力时程响应.数值模拟可为高速磁浮车桥耦合振动研究提供参考依据.     

高排架渡槽风振的计算方法

考虑渡槽的流－固耦合效应,导出了结构风振方程,导得了流－固耦合系统的传递函数矩阵的模态展开式,给出了结构风振响应的时域（时程分析）和频域（随机振动）计算公式。通过时程分析与随机风振的数值算例表明,结构风振响应分析一般应同时考虑结构振荡模态与流体振荡模态的贡献,提出的计算方法是可行的,可用于工程设计参考。     

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.     

某大型运输车的耐久性虚拟试验研究

耐久性问题是车辆领域的研究热点,对车辆进行实物疲劳实验成本高、周期长,为了缩短研制周期,降低研究成本,提出了虚拟试验的方法来研究车辆的耐久性问题. 以某大型运输车为研究对象,建立了其有限元模型,通过静力学分析获取了应力分布结果和车架变形结果;通过模态分析获取了柔性体结构的模态信息. 基于模态应力恢复理论,考虑车架、上摆臂、下摆臂和力轴的柔性,建立了整车刚柔耦合模型,获取了在平坦路面行驶的动力学响应.与实测结果对比,车架测点的垂向加速度均方根值在误差接受范围内,验证了模型的正确性. 根据Palmgren-Miner准则,对车辆在D级路面的行驶寿命进行了评估,结果表明,4桥悬架结构疲劳寿命最小,并且下摆臂结构出现了应力集中. 通过改进下摆臂结构增加了其使用寿命,为车辆结构的设计提供了参考.