轨道交通系统随机振动特性及其动力可靠性分析

摘要

轨道交通以其速度快、运量大、能耗低、污染轻、占地少以及安全舒适等综合优势，在世界各国得到了迅速发展。我国在跟踪研究国外先进技术的同时，通过新建快速客运专线、大力加强既有线路的技术改造等措施大幅度地提高了列车的运行速度。但是，随之而来的轮轨系统的动力作用以及行车的安全性与舒适性等问题也越发突出，在这方面我国尚缺乏足够的理论研究与工程实践。因此，列车与轨道的动态相互作用问题和行车的安全性问题已成为我国铁路实现跨越式发展急需解决的基础性研究课题之一。 本文在国内外学者的研究基础之上，针对机车车辆和轨道结构的相互作用问题，将车辆和轨道作为一个大的耦合系统，以车辆动力学和轨道动力学为理论基础，运用随机振动谱分析方法和数值积分方法来研究系统的动力特性，使用多刚体系统动力学软件ADAMS进行动力学仿真分析，并且提出了钢轨的动力可靠性和疲劳可靠性分析方法，为研究车辆一轨道系统的动力特性、行车的安全性和舒适性提供了新的思路。 车辆-轨道模型的正确性和完善程度对计算结果的可靠性和准确性起着决定性的作用。为此，本文根据机车车辆运行的特点和轨道结构的实际情况，建立了比较合理的四轴机车车辆模型和轨道模型。在模型中，将机车车辆视为多刚体系统，考虑了车体、转向架的沉浮和点头以及车轮的垂向共计10个自由度，将钢轨模拟成离散弹性点支承基础上的Euler梁，截取模态阶数为30，将轨枕以及离散后的道床视为刚性质量块，共计114个自由度，整个车辆一轨道系统总共具有154个自由度。在使用ADAMS/Rail进行动力仿真的过程中，将机车车辆模型进一步完善，车辆具有车体、前后构架和轴箱的纵移、横移、沉浮、侧滚、点头与摇头，4个轮对纵移、横移、沉浮、侧滚与摇头总共86个自由度，并且充分考虑了车辆悬挂系统的各种非线性因素。轮轨关系是车辆和轨道之间相互作用的联系纽带，在仿真中采用轮轨非线性弹性接触模型，使仿真过程更加符合实际情况。 列车运行的安全性和舒适性的评价标准将直接影响轨道结构设计的质量和经济性。本文对车辆、轨道的动力性能评价指标如车辆垂向加速度、车辆横向加速度、轮重减载率、轮轨垂向力、轮轨横向力、脱轨系数等进行了综合分析和归纳。 结构可靠度设计是目前国内外结构设计的主要发展方向。实现轨道设计由定值设计向可靠度设计的转变，不仅符合结构设计和我国铁路技术发展的大方向，同时也是当前铁路运输的迫切需要。钢轨是轨道结构的重要组成部分，本文对钢轨的动力可靠性计算方法进行了探讨，对各重要参数如轨下胶垫弹性系数、道床垂向刚度、路基离散刚度、列车运行速度以及超越界限等进行了敏感性分析，由此可以确定各参数的合理取值范围，进而对轨道结构进行整体优化设计。疲劳问题是轨道结构中一个古老而又基础的问题，本文将疲劳理论运用于结构动力可靠度分析中，采用Monte-Carlo方法对钢轨的疲劳寿命进行预测，并对钢轨的疲劳损伤与防治提出了相应的建议。振动

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究的目的和意义

1.2车辆-轨道耦合动力学

1.3结构随机振动理论

1.3.1随机振动理论的研究现状与进展

1.3.2随机振动理论在车辆-轨道系统中的应用

1.4结构动力可靠性理论

1.5研究思路和技术路线

1.6研究的主要内容

第2章轨道结构随机不平顺分析

2.1工程结构的随机性

2.1.1荷载的随机性

2.1.2结构参数(内在特征)的随机性

2.2结构概率分析

2.3随机过程

2.3.1随机过程的基本概念

2.3.2随机过程的数字特征

2.3.3平稳随机过程及各态历经性

2.3.4平稳随机过程功率谱密度

2.4轨道不平顺及其随机模拟

2.4.1轨道不平顺综述

2.4.2轨道不平顺的功率谱密度

2.5轨道谱拟合方法与公式

2.5.1美国轨道谱

2.5.2德国轨道谱

2.5.3英国轨道谱

2.5.4中国长沙铁道学院轨道谱

2.5.5铁道科学研究院建议的轨道谱公式

2.5.6中国铁道科学研究院短波不平顺功率谱

2.6小结

第3章车辆-轨道耦合系统随机振动谱分析方法

3.1概述

3.1.1机车车辆-轨道系统计算模型的发展

3.1.2轨道系统模型的发展

3.2车辆-轨道垂向耦合模型

3.2.1车辆振动微分方程

3.2.2钢轨振动微分方程

3.2.3轨枕振动微分方程

3.2.4道床振动微分方程

3.2.4形成系统动力学矩阵方程

3.3系统随机振动响应求解

3.4系统响应的统计特征

3.5系统随机振动响应分析

3.6小结

第4章车辆-轨道耦合系统动力学仿真分析

4.1引言

4.2轨道不平顺的数值模拟

4.3车辆-轨道系统数值积分计算

4.3.1概述

4.3.2 Wilson-θ法简介

4.3.3计算步骤

4.3.4程序流程图

4.3.5计算结果

4.4基于ADAMS系统动力学仿真

4.4.1 ADAMS/Rail简介

4.4.2车辆-轨道模型

4.4.3计算结果

4.4.4车辆运行安全性评定

4.4.5车辆运行舒适性评定

4.5小结

第5章轨道结构动力可靠性分析的拟静力方法

5.1引言

5.1.1可靠度设计发展简介

5.1.2结构可靠性分析的两种模型

5.1.3结构动力可靠性

5.2钢轨的失效模式

5.3设计基准期

5.4动力可靠性分析的拟静力分析方法

5.4.1基本原理

5.4.2响应极值概率密度函数的级数拟合法

5.4.3级数拟合法的优度拟合检验

5.5轨道结构的目标可靠指标

5.6轨道结构动力可靠性的拟静力分析

5.6.1设计基准期内动力可靠性分析方法

5.6.2计算参数

5.6.3计算步骤

5.6.4计算结果及分析

5.7小结

第6章基于过程跨越理论的轨道动力可靠性分析

6.1概述

6.1.1首次超越破坏机制

6.1.2疲劳破坏机制

6.2首次超越失效的两类基本问题

6.2.1交差问题

6.2.2极值分布问题

6.3结构动力可靠性分析的泊松过程法

6.4结构动力可靠性分析的极值分布法

6.5结构动力可靠性分析的数值模拟法

6.6算例与计算方法的比较

6.6.1计算参数

6.6.2计算结果及分析

6.7基于累积损伤破坏机制的疲劳可靠性

6.7.1线性疲劳累积损伤理论

6.7.2钢轨底部弯曲应力计算

6.7.3钢轨疲劳寿命预测

6.7.4钢轨疲劳可靠性分析

6.8基于舒适度准则的动力可靠性

6.9结构动力可靠度的参数敏感性分析

6.9.1敏感性分析计算方法

6.9.2轨下胶垫弹性系数对钢轨动力可靠性的影响

6.9.3道床垂向刚度对钢轨动力可靠性的影响

6.9.4位移超越界限对钢轨动力可靠性的影响

6.9.5路基离散刚度对钢轨动力可靠性的影响

6.9.6列车运行速度对钢轨动力可靠性的影响

6.9.7各参数敏感度的比较分析

6.10小结

第7章结论与展望

7.1本文所做的工作

7.2展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果