基于并行算法和有限元法的车—线—桥耦合振动分析

摘要

近10年来，我国高速铁路得到了快速发展，随着列车运行速度的不断加快，以及桥梁在铁路总里程中所占的比重越来越大，车-线-桥耦合振动问题越来越受到人们的关注。由于车-线-桥耦合振动分析中复杂的轮轨关系，使得耦合系统瞬态动力分析的时间步长极小;同时系统建模越来越复杂和精细，大大增加了计算量。因此，有必要提高车-线-桥耦合振动系统的建模效率和仿真分析计算速度。本文针对上述问题并在前人研究的基础上，开展了以下的研究工作:
　　1.改进了车-线-桥空间耦合振动模型，编制了计算软件TRBF-DYNA
　　基于有限元法建立线路-桥梁模型运动方程，结合现有通用有限元软件导出线路-桥梁模型的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵，提高了系统的建模效率和准确性;基于改进的空间迹线法求解轮轨接触空间几何关系，可计算轮轨多点接触状况;针对车-线-桥耦合振动问题提出一种并行计算的策略，使计算速度大大提高;自主开发了基于MATLAB的车-线-桥空间耦合振动分析软件TRBF-DYNA，该软件发挥了MATLAB处理大型矩阵运算的优势以及强大的后处理功能。
　　2.TRBF-DYNA软件计算结果的验证
　　与文献[2]中八车十跨高速铁路典型32m简支箱梁模型的车辆动力响应以及轨道-桥梁动力响应计算结果进行对比。结果表明TRBF-DYNA软件能够较好的反映车-线-桥耦合振动特性，能够满足工程应用要求。
　　3.利用TRBF-DYNA软件进行96m钢箱拱桥的车-线-桥耦合振动分析
　　以京沪高速铁路96m跨度钢箱拱桥为例，利用TRBF-DYNA软件进行车-线-桥耦合振动系统动力学响应分析;研究了96m钢箱拱桥车-线-桥耦合振动桥梁跨中局部振动规律，并采用等效荷载法研究了96m钢箱拱桥分别在典型地震作用下、不同类别地震作用下、不同地震强度作用下的车-线-桥耦合振动规律。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 高速铁路的发展

1．1．2 车-线-桥耦合振动问题

1．2 研究现状

1．2．1 车-线-桥耦合振动模型研究现状

1．2．2 一致地震作用下的车-线-桥耦合振动研究现状

1．3 研究意义和内容

1．3．1 研究意义

1．3．2 研究内容

2 车-线-桥空间耦合振动模型与计算软件开发

2．1 车-线-桥耦合系统动力学模型

2．1．1 车辆模型及其动力学方程

2．1．2 线路-桥梁模型及其动力学方程

2．1．3 轮轨关系模型

2．1．4 轨道不平顾

2．1．4 车-线-桥空间耦合振动模型数值求解方法

2．2 利用有限元软件建模并与MATLAB联合计算

2．3 车-线-桥耦合振动问题并行计算策略

2．3．1 并行计算的必要性

2．3．2 车-线-桥耦合振动问题并行计算策略

2．4 基于上述理论所开发的车-线-桥耦合振动分析软件TRBF-DYNA

2．4．1 TRBF-OYNA的特点

2．4．2 TRBF-DYNA的功能

2．4．3 TRBF-DYNA的主要模块和流程图

2．5 本章小结

3 车-线-桥耦合振动分析软件TRBF-DYNA的验证

3．1 算倒介绍

3．1．1 列车模型

3．1．2 线路模型

3．1．3 桥梁模型

3．2 算例计算结果对比

3．2．1 车辆动力响应计算结果对比

3．2．2 轨道-桥梁动力响应计算结果对比

3．2．3 对比结果分析与结论

3．3 本章小结

4 高速列车-无砟轨道-96m钢箱拱桥耦合振动分析

4．1 工程概况

4．2 轨道-桥梁有限元模型

4．3 地震激励输入方法

4．4 典型地震波

4．5 列车-无砟轨道-96m钢箱拱桥耦合 震动桥梁跨中局部震动研究

4．6 地震作用下列车-无砟轨道-96m钢箱拱桥耦合振动分析

4．6．1 有无震作用下的耦合系统动力响应对比

4．6．2 不同类型地震波对耦合系统动力响应的影响规律

4．6．3 不同强度地震波对耦合系统动力响应的影响规律

4．7 本章小结

5 结论与展望

5．1 本文的主要研究成果与结论

5．2 展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢