横风环境中列车-桥梁系统的气动特性及耦合振动研究

摘要

随着我国交通事业的不断发展，列车速度和桥梁跨度不断提高，而大跨度桥梁刚度较小且多处于风力强劲的江河、海峡上，列车高速通过桥梁时的耦合振动问题比较突出，安全性及平稳性难以得到保证，因而有必要对横风环境中列车-桥梁系统的耦合振动问题进行研究。
　　本文针对横风环境中平潭海峡大小练岛水道公铁两用钢桁梁斜拉桥的车桥耦合振动问题，建立了列车-桥梁系统的空气动力学和多体动力学仿真模型，对不同风速和车速下列车-桥梁系统的流场特性、气动荷载以及列车与桥梁的耦合振动响应进行了研究。本文的主要研究内容包括:
　　1)介绍了空气动力学和多体动力学的基本理论，对列车-桥梁系统的空气动力学和多体动力学建模方法进行了说明。
　　2)采用CFD软件FLUENT通过局部动态层网格的方法建立了列车-桥梁系统的空气动力学仿真模型，并计算分析了不同风速和车速工况下单线行车和双线会车时列车-桥梁系统的流场特性及气动荷载的变化规律。
　　3)利用有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK建立了列车-桥梁系统的三维空间模型，并以时间激励的方式施加气动荷载，仿真计算了横风作用下列车-桥梁耦合系统的动力响应。
　　4)研究了基于风速、车速、单线侩车多参数不同组合工况下列车和桥梁各动力学指标的变化规律，依据列车和桥梁的评价标准对列车运行的安全性和舒适性进行评定，并给出了单线及双线行车时车速和风速的建议限值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 风-列车-桥梁系统耦合振动研究综述

1．2．1 风-桥梁相互作用

1．2．2 风-列车相互作用

1．2．3 列车-桥梁相互作用

1．2．4 风-列车-桥梁相互作用

1．3 选题意义

1．4 本文主要研究内容

第2章 列车-桥梁系统空气动力学数值计算方法

2．1 流体动力学控制方程

2．1．1 质量守恒方程

2．1．2 动量守恒方程

2．1．3 能量守恒方程

2．1．4 气体状态方程

2．2 湍流数值模拟方法

2．2．1 直接模拟(DNS)

2．2．2 大涡模拟(LES)

2．2．3 Reynolds时均法(RANS)

2．3 列车-桥梁系统空气动力学模型的建立

2．3．1 模型的简化

2．3．2 计算域及网格

2．3．3 边界条件

2．4 列车和桥梁的气动荷载

2．5 小结

第3章 横风环境中列车-桥梁系统多体动力学仿真方法

3．1 多体系统动力学基本理论

3．1．1 多体系统的基本运动方程

3．1．2 多体系统动力学建模的基本方法

3．2 列车-桥梁系统多体动力学模型的建立

3．2．1 列车的动力学模型

3．2．2 桥梁的动力学模型

3．2．3 气动荷载的施加方法

3．3 列车和桥梁动力响应的评价方法

3．3．1 列车的评价标准

3．3．2 桥梁的评价标准

3．4 小结

第4章 列车-桥梁系统气动特性分析

4．1 列车-桥梁系统流场特性分析

4．1．1 流场结构分析

4．1．2 压力分布规律

4．2 列车和桥梁的气动荷载分析

4．2．1 列车的气动荷载

4．2．2 桥梁的气动荷载

4．3 小结

第5章 横风环境中列车-桥梁系统耦合振动分析

5．1 列车的动力响应及指标评定

5．1．1 脱轨系数

5．1．2 轮轴横向力

5．1．3 轮重减载率

5．1．4 车体加速度及舒适度指标

5．2 桥梁的动力响应及指标评定

5．2．1 桥梁的竖向挠度和横向振幅

5．2．2 桥梁的振动加速度

5．3 小结

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献

附录1 列车与桥梁的动力响应及指标评定汇总

附录2 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的项目