铁路车桥耦合轮轨接触理论及动力仿真

摘要

随着现代列车速度的不断提高，桥梁结构在铁路线路中的大量使用，高速铁路车桥耦合振动问题的研究就变得越来越重要。为了能够有效地对线路中既有桥梁的运行状态进行评估，也为了能够对新建桥梁进行全面合理的优化设计，有必要对列车过桥的车桥耦合振动问题进行分析。计算机仿真是一种比较有效和经济的方法。而在这过程中，弄清楚轮轨之间的偶合关系是能否得到正确轮轨力，从而得到正确有效的数值解的必要条件。 本文运用车辆、桥梁耦合大系统的思想，建立了车桥耦合振动模型。并且根据该模型的特点，重点研究了轮轨接触几何关系，轮轨之间垂向、横向相互作用力。给出了垂向Hertz非线性弹性接触力和横向Kalker蠕滑理论的推导过程。针对激励源，本文也给出了模拟轨道不平顺的方法和程序流程图，并且根据PSD图，模拟了轨道的随机不平顺。对于桥梁模型，本文根据动力有限元的方法，详细推导了单元力学特性矩阵，并且在这基础上，建立了桥梁分析模型。 本文的主要内容如下： 1、建立了比较完整的机车车辆动力分析模型，以二系悬挂客车为主要分析对象，将车体、转向架、轮对简化为刚体，建立了由31个自由度组成的空间振动分析模型。即车体和转向架分别考虑横移、沉浮、侧滚、点头、摇头五个自由度；轮对考虑横移、沉浮、侧滚、点头四个自由度；由Hamilton原理，得到了动力有限元方法，推导了12个自由度的空间梁单元力学特性矩阵，并利用该单元建立了桥梁动力分析模型。 2、详细给出了轮轨接触几何关系，给出了轮轨接触几何关系中涉及到的各个接触参数、接触状态；给出了求解轮轨接触点的几种处理方法，即针对特殊轮轨型面的解析法，针对任意形状的空间搜索迭代逼近法和迹线搜索法，本文在具体实施过程中，对迭代方法进行了改进，对判据条件进行了改进，使其更加符合实际条件。最后给出在特定条件下，轮轨几何接触参数间的关系图。 3、基于弹性力学、接触力学理论，本文给出了轮轨垂向接触力的推导，得到了轮轨垂向力公式、轮轨接触椭圆斑的长短轴计算公式。根据Kalker线性蠕滑假设，给出了蠕滑力的公式推导。 4、根据轮轨接触的协调条件，建立了由车辆子系统和桥梁子系统组成的大系统模型，并由数值积分方法求解车桥耦合大系统，得到了车辆和桥梁的动力响应结果：针对轨道不平顺，详细的介绍了轨道不平顺的分类，轨道不平顺产生的原因，国内外常见的功率谱图，并且详细给出了周期图法，自编程序，给出了美国轨道谱的模拟结果：在求解过程中，给出了几种常见的逐步积分数值方法，编制了相关的程序，作为求解车桥耦合系统的求解器。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2高速铁路的特点

1.3铁路车桥耦合振动研究发展历史

1.3.1试验研究

1.3.2理论研究

1.4车桥耦合振动问题中相关理论最新进展

1.4.1轮轨关系模型

1.4.2轮轨力模型

1.4.3机车车辆计算模型

1.4.4桥梁计算模型

1.4.5数值积分方法与轨道不平顺的数值模拟

1.5本文的主要内容与方法

第二章车-桥耦合振动分析中的轮轨接触几何关系

2.1轮轨接触几何参数和接触状态

2.1.1轮轨接触几何参数

2.1.2轮轨接触状态

2.1.3我国铁路车轮踏面和轨道截面基本几何形状

2.2轮轨接触几何关系的计算方法

2.2.1特殊几何型面轮轨接触几何约束方程和几何参数的求解

2.2.2任意几何型面轮轨接触关系几何参数计算方法

2.3轮轨接触几何关系的相关结论

第三章车-桥耦合系统中轮轨接触力的推导

3.1轮轨法向力的计算

3.1.1Hertz接触理论中的几何关系

3.1.2Hertz接触力的推导

3.2轮轨切向蠕滑力的计算

3.2.1轮轨蠕滑率的推导

3.2.2轮轨蠕滑力

第四章车辆和桥梁动力学模型的建立

4.1车辆动力学模型的建立

4.1.1铁道车辆特点、基本假定和自由度的确定

4.1.2建立车辆运动方程

4.1.3车辆运动方程的矩阵形式

4.2桥梁动力学模型的建立

4.2.1桥梁动力有限元方法

4.2.2空间梁单元动力特性矩阵的推导

第五章车-桥耦合振动方程建立和求解及轨道随机不平顺模拟

5.1车桥耦合方程的建立

5.1.1车-桥耦合方程的建立

5.1.2轮轨间作用力的求解

5.1.3车桥耦合振动微分方程求解的收敛准则

5.2车桥耦合系统求解的数值积分方法

5.2.1Newmark-β法

5.2.2Wilson-θ法

5.2.3新型显式积分法

5.3车桥耦合系统程序设计

5.4轨道随机不平顺的模拟

5.4.1轨道常见的几何不平顺的输入模式

5.4.2随机轨道不平顺

5.4.3轨道随机不平顺的数值模拟

第六章车桥耦合理论与动力仿真技术的工程应用

6.1桥梁长度对桥跨中心竖向动力响应的影响

6.1.1不同桥梁长度桥梁跨中的位移时程曲线比较

6.1.2不同桥梁长度桥梁跨中的速度时程曲线比较

6.1.3不同桥梁长度桥梁跨中的加速度时程曲线比较

6.2列车速度对桥跨中心动力响应的影响

6.3随机轨道不平顺对桥梁跨中动力响应的影响

6.4桥梁抗弯刚度和支座刚度对桥梁跨中动力响应的影响

6.4.1桥梁抗弯刚度对桥梁跨中动力响应时程曲线的影响

6.4.2桥梁支座刚度对桥梁跨中动力响应时程曲线的影响

第七章结论与展望

7.1研究结论

7.2研究展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢