不平顺状态下路基-无砟轨道-车辆耦合系统振动研究

摘要

随着近年中国高速铁路新线不断建成通车，运营里程不断增长，高速铁路技术创新主题已不再局限于建造和设计，与保障高铁安全运营配套的相关运营维护技术已成为新的研究热点。尽管高速铁路路基设计时采用了高标准的设计参数，但由于土石材料的散粒体特性，在列车动荷载及复杂多变的自然营力联合作用下，运营期局部地段路基服役状态劣化问题逐渐显现，无论是路基不均匀沉降或是基床翻浆等都会引起线路不平顺，成为车线振动的激扰源，威胁行车安全，加剧列车对无砟轨道路基的动力破坏作用，目前对于运营期无砟轨道路基病害形成的不平顺导致的动力学问题尚缺乏深入的理论研究。本文针对路基不均匀沉降、基床翻浆病害引起线路不平顺激扰下，路基-无砟轨道-车辆系统振动响应特征开展了如下研究工作:
　　(1)回溯车辆-轨道-路基系统动力学的发展，对系统动力学研究中车辆、轨道、路基结构离散模型进行了总结。在传统车辆/轨道系统动力分析模型的基础上，完整考虑了路基基床表层、底层、路堤的参振作用，并考虑了无砟轨道与路基间接触状态，建立了可反映路基伤损引起的线路几何不平顺以及轨-路接触界面效应特征的路基-无砟轨道-车辆系统空间时变计算模型。针对刚性混凝土底座板与柔性路基级配碎石基床表层间的接触问题，提出了层间完全接触、振动接触、完全脱空三种接触模式及对应的单元组集方式，构建了满足力学以及几何边界的约束条件，反映脱空区底座板与基床表层的非线性接触行为的双节点偶对接触单元模型，推导了接触模型振动方程，阐述了轨路非线性接触问题的迭代求解过程及接触单元约束模量系数的自适应算法。
　　(2)基于Visual Studio2010交互式软件开发平台，采用自主编程的形式，利用Fortran语言编写开发了具有自主知识产权的路基-无砟轨道-车辆耦合系统振动动力分析程序SBVDAS。大型刚阵元素存储采用一维变带宽方式进行存贮，基于自由度关联性分析将刚阵元素区域分为零元素区、非零元素区及时变非零元素区。推导了各元素区元素的寻址公式以及半带宽计算方程。基于刚阵元素区域划分，在考虑元素时变效应的基础上设计了元素分区组集的程序结构。利用多维数组存储的“Column Major”法则对数组操作程序进行了优化，提高程序执行效率，通过增大堆栈空间以及避免在子程序内部定义及使用大型数组的方法解决了超大自由度动力计算中多维数组堆栈溢出问题，分析了调试NAN错误的原因及解决方法。
　　(3)阐述了车辆、无砟轨道、路基结构系统动力学参数的识别方法，利用数值试验对合理模型计算长度及有效积分步长进行了研究，结果表明模型的合理计算长度在保证车辆长度及不平顺外，轮对接触点距离模型端部应不少于6跨的长度。积分步长△t的下限由计算机程序的舍入误差以及由积分算法可能引起的高阶方程病态问题共同决定。通过零速稳态响应试验对最大合理有效积分步长进行了试算，最大合理有效积分步长与行车速度以及不平顺波长相关，最大有效积分步长随不平顺激励波长的增大而增加，随行车速度的增加而减小。利用数值算例分别对连续谐波高低不平顺激励以及随机不平顺激励下，路基-无砟轨道-车辆系统动力响应分析结果进行了验证。
　　(4)利用SBVDAS对路基不均匀沉降引起的轨面中长波高低不平顺激扰下，不均匀沉降波深、波长以及列车运营速度对车辆、无砟轨道、路基振动特性的影响进行了研究，在此基础上对运营期高速铁路路基不均匀沉降限值的确定进行了分析。结果表明车辆经过路基不均匀沉降区段时，车辆走行性能明显恶化，车辆对下部无砟轨道路基的动力破坏作用增强，车体系统振动强度随路基不均匀沉降波深增大基本呈正比增加，路基结构与无砟轨道结构的振动强度参数基本呈线性增加，不均匀沉降波深对车辆振动响应的影响幅度高于无砟轨道以及路基结构。车体振动加速度受波长“频域效应”的影响显著，17.5m是5～20m波长区段车体振动加速度敏感波长;无砟轨道、路基各结构层的动力响应随着沉降波长增加而减小，但影响效应逐渐减弱。路基不均匀沉降引起的轨面不平顺激扰将导致路基顶面动应力幅分布不均匀，路基面动应力幅沿线路纵向呈现出显著余弦式场分布特征。路基不均匀沉降限值的动力学评价应考虑车辆安全舒适性、无砟轨道疲劳损伤以及路基结构长期动力稳定性。当列车速度为250km/h时，车体垂向加速度是无砟轨道路基不均匀沉降限值的控制指标，运营期无砟轨道路基不均匀沉降应控制在18mm/20m以内。
　　(5)利用路基-板式无砟轨道-车辆系统耦合振动空间分析模型对无砟轨道路基翻浆条件下，翻浆区域长度、层间脱空值、行车速度等参数对车辆、无砟轨道、路基各系统的动力响应的影响进行了仿真分析。结果表明基床翻浆对无砟轨道及路基结构动力响应的影响高于车辆动力指标。车体垂向振动加速度随基床翻浆脱空长度增大而缓慢增加，轮轨垂向力则变化不明显，无砟轨道结构钢轨、轨道板及底座板动位移则明显非线性增大。当基床翻浆区域达到8跨后，钢轨动位移超过限值，建议将8跨作为基床翻浆长度的控制值。基床翻浆导致路基面动应力分布显著差异，翻浆区路基面应力明显减少，边缘则出现应力集中。行车速度增加将加剧基床翻浆区无砟轨道结构的振动，轮轨垂向力略有增大，而车体振动加速度却略有降低，钢轨动位移也有所减小。基床翻浆临界层间脱空值与行车速度及基床翻浆区长度有关。无砟轨道轨道板、底座板动位移敏感因子达到5.14，基床完好状态时路基面与无砟轨道底座板动位移幅值比(0.92)远高于基床翻浆后(0.01)，可将其作为基床翻浆病害的初步识别的动力指标。
　　(6)无砟轨道路基翻浆病害的形成主要与基床表层级配碎石细粒含量较高以及底座板伸缩缝、侧缝封闭不严有关;基床翻浆导致路基对轨道结构支承及约束作用降低，加剧了无砟轨道结构的振动，其中底座板振动放大效应尤其明显，且振动放大效应随车速增加而增大;基床翻浆改变了无砟轨道与路基基床间振动波传递状态，限制了路基基床参振耗能作用的发挥，实测翻浆断面路基面动位移幅值减少45％，底座板到路基面动位移传递函数减小约2/3，当列车速度为247km/h时，在路基受动荷载主要作用频率范围内(0～15Hz)，其动位移传递函数处于0.22～0.39间。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 车辆-轨道-路基系统动力学研究现状

1．2．1 车-轨-路耦合系统动力学发展

1．2．2 车辆-轨道-路基系统动力学分析模型

1．3 高速铁路线路结构

1．3．1 无砟轨道结构

1．3．2 路基结构

1．4 高速铁路路基伤损引起的不平顺问题

1．4．1 高速铁路路基不均匀沉降

1．4．2 板式无砟轨道路基基床翻浆

1．5 本文研究内容与技术路线

1．5．1 研究内容与方法

1．5．2 技术路线

第2章 路基-无砟轨道-车辆耦合系统空间分析模型

2．1 概述

2．1．1 系统动力学分析流程

2．1．2 建模思路

2．1．3 模型基本特征分析

2．1．4 振动方程组建方法

2．2 车辆模型及振动方程

2．2．1 车辆动力学分析模型

2．2．2 车辆模型振动方程

2．3 无砟轨道模型及振动方程

2．3．1 板式无砟轨道分析模型

2．3．2 无砟轨道系统振动方程

2．4 路基动力模型及振动方程

2．4．1 路基振动分析模型

2．4．2 路基离散单元运动方程

2．5 系统间相互作用模型

2．5．1 轮轨动态耦合模型

2．5．2 轨路接触模型

2．6 本章小结

第3章 路／轨／车耦合系统动力仿真的实现与验证

3．1 分析程序设计

3．1．1 动力仿真平台

3．1．2 程序模块与计算流程

3．2 动力有限元分析的实施

3．2．1 自由度列序与矩阵存贮

3．2．2 主要控制参数与时变部分程序设计

3．2．3 计算机内存与程序的改进及Debug

3．3 路／轨／车耦合动力分析系统参数验证与模型验证

3．3．1 基本参数

3．3．2 模型验证

3．4 本章小结

第4章 路基不均匀沉降激扰下车-轨-路系统振动特性

4．1 前言

4．2 高低不平顺激扰特征与模型

4．3 中长波高低不平顺对系统动力特性的影响

4．3．1 波深影响

4．3．2 波长影响

4．3．3 行车速度影响

4．3．4 路基动应力幅的纵向分布特征

4．4 运营期路基不均匀沉降限值动力学研究

4．4．1 模型范围与激励类型

4．4．2 动力学评价参数

4．4．3 运营期路基不均匀沉降限值的分析方法

4．4．4 路基不均匀沉降限值分析算例

4．5 本章小结

第5章 基床翻浆条件下路基无砟轨道车辆耦合系统振动仿真研究

5．1 无砟轨道路基基床翻浆模型

5．2 基床翻浆激扰下系统响应特征

5．2．1 车辆主要振动参数动力响应

5．2．2 无砟轨道动力响应

5．2．3 路基结构动力响应

5．3 行车速度与层间脱空值对系统动响应的影响

5．3．1 行车速度的影响

5．3．2 临界层间脱空值

5．3．3 考虑底座板与基床表层非线性接触的系统响应

5．4 基于参数敏感性分析的基床翻浆病害识别动力学指标研究

5．4．1 动响应参数敏感性分析

5．4．2 无砟轨道路基动力响应空间分布与基床翻浆病害识别

5．5 本章小结

第6章 基床翻浆条件下无砟轨道路基振动现场行车测试

6．1 引言

6．2 基床病害现场勘查及初步分析

6．2．1 现场勘查

6．2．2 病害机理初步分析

6．3 测试概况

6．3．1 测试工点概况

6．3．2 测试设备与传感器布置

6．3．3 行车方案与现场测试情况

6．4 测试结果分析

6．4．1 振动加速度

6．4．2 振动位移

6．4．3 振动速度

6．5 本章小结

第7章 结论

7．1 本论文主要结论

7．2 有待进一步研究的问题

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果