基于SIMPACK软件弹性梁下的车—桥耦合振动分析

摘要

随着时代发展以及列车时速的提高，各种类型的桥梁相继出现，特别是对一些标准化简支梁和曲线梁桥，研究发现随着速度增加，车辆和桥梁之间的动力响应变得越来越大，当通过曲线梁桥时动力响应更复杂，这也对标准桥梁的车—桥耦合仿真提出了要求。
　　随着铁路提速以及标准化桥梁的大量建设，车—桥耦合振动也越来越朝复杂化、具体化的发展。使用专业的多体系统动力学软件，更加具体化和模块化，实现程式化的建模和仿真。在车桥耦合仿真中：运用多体系统动力学软件SIMPACK建立车辆模型，运用有限元软件ANSYS建立桥梁模型，桥梁截面为空心箱型截面，采用实体单元SOLID185，二期恒载均匀分布在桥面。用FEMBS接口将桥梁模型导入到SIMPACK中，通过轮轨接触面上离散的信息接触点来完成两个子系统的数据交换，实现联合仿真。
　　本文先介绍了多体系统动力学理论，描述了多系统动力学的进展和研究方法。系统介绍了这款软件从建模到求解的流程。提出了常见的一些系统建模坐标方法，还介绍了如何在系统动力学上实现车辆的建模，以及建模各构件的形成和实现模块化。
　　再针对本文的车—桥耦合问题，详细介绍了如何在两个软件间实现联合仿真，给出了美国、德国和中国的轨道谱，在做不平顺分析时采用德国高、低谱。给出了动车模型和桥梁模型的参数和建模过程，还介绍了如何通过轮轨来实现两部分信息的交换，最终实现耦合。同时给出了车—桥耦合振动响应的评定标准。
　　最后通过对两种类型的标准桥梁—简支梁桥和曲线梁桥—实现仿真，得出车桥耦合的结果，提取需要的参数，再在有限元中做更加深入的研究。计算出桥梁的自振频率，对车桥系统进行预平衡检测。再施加德国轨道高、低干扰谱，分别计算了列车从125km/h至350km/h，同时研究了不同轨道谱、不同桥梁阻尼比以及曲线半径对桥梁和动车的影响，总结了各种因素下的车桥响应振动特性，并得出一些有实际意义的结论。
　　车辆的舒适度、加速度、脱轨系数和减载率都呈现出随着速度的增大而增大的趋势。车辆加速度对长波长的轨道谱较为敏感，而轮重减载率对较短波长的谱敏感；桥梁跨中动位移和加速度在两种谱下的值都比较的接近，说明两种轨道谱对桥梁的动力响应都不是很明显；随着阻尼比的增大动位移呈现减小的趋势，在同一阻尼比下，动位移随速度的增大而增大；还发现行车速度越快，阻尼比也越敏感。
　　在曲线梁桥上发现车辆外侧轮轨横向力大于内侧；当速度达到350km/h时，轮重减载率超出了安全限值，桥梁跨中横向加速度大于限值，不满足规范要求；同时动车各种指标随着外轨超高的增大和曲线半径的减小而变大，同时桥梁的动力振动效应也变大。

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1 绪论

1.1 高速铁路桥梁的特点

1.2 车桥耦合振动研究

1.3 多体系统动力学

1.4 选题的意义

1.5 本论文主要研究内容

1.6 本章小结

2 SIMPACK多体系统动力学基本理论

2.1 多体系统动力学的发展和研究方法

2.2 多体系统动力学建模的基本概念

2.3 多体系统建模理论

2.4 多体系统动力学和车辆动力学的关系

2.5 本章小结

3 车辆—桥梁耦合振动数值仿真的实现

3.1 多体系统(MBS)与有限元(FE)的耦合集成

3.2 车辆—桥梁耦合模型和方程的建立

3.3 轨道不平顺

3.4 本章小结

4 动车和桥梁的模型建立及评定标准

4.1 动车的物理模型

4.2 桥梁模型的建立

4.3 车—桥耦合振动响应评定标准

4.4 本章小结

5 基于SIMPACK和ANSYSY的车—桥耦合振动响应分析

5.1 32m简支梁桥车—桥耦合振动分析

5.2 曲线梁桥的车—桥耦合振动分析

5.3 本章小结

结论及展望

本文研究的主要结论

主要创新点：

研究展望:

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果