车辆-无砟轨道耦合系统三维动力有限元分析

摘要

随着我国客运高速化、运输密度的大幅提高，铁路车辆和轨道之间的动力作用问题越来越突出、越来越复杂。因此，利用相关动力学理论建立车辆-无砟轨道耦合系统模型，进一步研究无砟轨道的受力和结构特点具有重要的现实意义。本文从建立无砟轨道三维梁板单元模型入手，在车辆-轨道动力学和分析无砟轨道动力特性方面做了一些工作，为今后开展该领域的深入研究提供较强的参考价值。
　　根据无砟轨道结构特点，提出了无砟轨道三维梁板单元，推导了无砟轨道三维梁板单元的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵。在理论上，对无砟轨道三层梁单元和梁板单元进行比较：无砟轨道三层梁单元中，轨道板和混凝土底座简化为二维的梁单元，钢轨梁下方为叠加的轨道梁和混凝土底座梁。无砟轨道梁板单元中，轨道板和混凝土底座简化为三维的矩形板单元，钢轨梁下方为叠加的两块轨道板和两块混凝土底座板。将车辆和无砟轨道单元（分别考虑无砟轨道三层梁单元与梁板单元）组装成车辆和无砟轨道系统，运用交叉迭代法求解车辆和无砟轨道系统动力方程，既降低了分析问题的规模，又减小了程序设计的难度。
　　基于弹性地基梁板单元，建立了车辆-无砟轨道耦合系统三维动力模型，利用MATLAB编制了计算程序，仿真分析了轨道高低不平顺以及列车运行速度对车辆和轨道的各部分结构竖向动力响应的影响，得到了以下结论：（1）利用所开发的程序计算了钢轨竖向挠度曲线与轮轨作用力，并与文献和实测数据进行对比，两者吻合良好。（2）仿真分析了CRH3型动车通过CRTSⅡ型板式无砟轨道，轨道高低不平顺对轨道和车辆各部分结构动力响应的影响。计算表明：轨道高低不平顺对轨道和车辆各结构的动力响应有较大影响，尤其是对钢轨的位移和加速度、车轮的加速度以及轮轨作用力有显著影响。（3）仿真分析了在不同列车运行速度下轨道高低不平顺对轨道和车辆各部分结构动力响应的影响规律。计算表明：当列车速度从200km/h增加到400km/h时，轨道各结构的动力响应均有较大增幅，车辆各结构的振动有不同程度的增幅，车辆和轨道之间的竖向作用力幅值从114.13kN增加到170.34kN，增幅为49.3％。
　　基于无砟轨道梁板单元和三层梁单元，建立了车辆-无砟轨道耦合系统动力模型，利用MATLAB编制了计算程序。以CRTSⅡ型板式无砟轨道为研究对象，对基于不同无砟轨道单元的模型进行动力特性的对比和参数分析，得到了以下结论：（1）大量、全面的计算充分反映交叉迭代法在计算车辆-轨道耦合系统动力模型上的简便性和实用性.（2）针对于不同的扣件系统、CA砂浆层、路基的刚度和阻尼，计算了2种模型无砟轨道各结构的动力响应，结果表明：与三层梁轨道模型相比，弹性地基梁板模型所计算的轨道各结构动力响应变化趋势基本一致，挠度偏小、加速度偏大，结果合理、更符合实际。通过分析不同参数对轨道结构动力特性的影响，讨论了无砟轨道结构参数的合理取值范围。（3）本文的车辆-无砟轨道耦合系统动力模型和交叉迭代法，为进一步研究CRTSⅡ型板式无砟轨道动力性能和设计参数及相关标准制定提供了理论依据，并且相关理论普遍适用于分析其他类型的无砟轨道。
　　最后总结了论文的主要工作，提出本课题还需要深入研究的几个问题。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

主要符号说明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景以及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究方法和主要内容

第二章 车辆-无砟轨道耦合系统动力模型

2.1 车辆模型

2.2 无砟轨道三层梁模型

2.3 无砟轨道梁板模型

2.4 本章小结

第三章 交叉迭代法求解车辆-无砟轨道耦合系统动力方程

3.1 车辆-无砟轨道耦合系统动力方程的建立

3.2 车辆-无砟轨道系统的耦合关系

3.3 交叉迭代法求解车辆-无砟轨道耦合系统动力方程

3.4 本章小结

第四章 基于弹性地基梁板单元的车辆-无砟轨道耦合系统动力响应分析

4.1 模型验证

4.2 车辆-无砟轨道耦合系统动力响应分析

4.3 本章小结

第五章 弹性地基梁板与三层梁模型对比及参数分析

5.1 车辆-无砟轨道耦合系统动力模型的验证

5.2 无砟轨道结构参数确定

5.3 无砟轨道模型对比及参数分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 本文的主要内容

6.2 本文的主要结论

6.3 本课题展望及待研究的问题

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文

致谢