桥梁车辆振动分析与刚架拱计算机仿真

摘要

车桥耦合动力学是现代公路桥梁发展的重要课题，其研究能更真实地揭示出桥梁结构在汽车车辆荷载作用下的动态响应。随着桥梁日趋向轻型化、细长化发展，而交通量却不断增加的新形势，桥梁车辆振动问题日显突出；但由于桥梁在行驶车辆作用下的振动受很多复杂因素的影响，至今难以得到它们与桥梁车辆振动之间的定性关系。本文在广泛收集国内外有关文献资料的基础上，较系统的总结了车桥耦合动力学的研究历史，提出了该研究的古典理论与现代理论。重点分析了现代理论产生的背景和主要思想及应用工具。 经典车桥振动理论为研究车桥系统相互作用做出了不可磨灭的贡献，理论中的不少优点仍应用在现代研究中，作为简化计算，快速取得结果的桥梁承载能力分析的手段。古典理论仅考虑了单个荷载或单个自由度荷载作用在简支梁上的动力作用问题，在使用上受到限制。现代理论借助于计算机分析和有限元法，更真实地模拟了车辆和桥梁的性态，并且考虑了路面不平整，行车速度，荷载质量对车桥系统相互作用的影响。由于它更多的关注于车桥振动系统的相互耦合作用，更加真实地揭示了整个系统的动态性能。但是受到技术手段的限制，古典理论和现代理论均只能近似地反映车桥振动系统的动态性能。对于车桥振动空间系统，现代分析手段不仅借助于实验，而且使用计算机进行模拟，以求得更为接近于实际的动力反应。 计算机模拟仿真是研究现代工程问题的重要手段。对动力学研究而言，所谓仿真就是求运动方程的数值解，以研究结构在特定条件下的动力响应特性。大型有限元分析软件ANSYS就是进行计算机模拟仿真分析实验的一种有力工具。 梁桥是公路桥梁中最常见的一种桥型，也是其他体系桥梁动力分析的基础。本文运用动力学普遍原理主要是哈密顿原理建立了梁桥的振动微分方程，对梁桥的动力响应问题得出了一般解答。梁桥振动分析方法，可作为其他体系桥梁的振动分析依据。 本文以车载作用下的拱桥为研究对象，在收集有关拱桥及动力学资料的基础上，分析了拱桥动力学的解析分析法和有限元分析法的优缺点，分别提出了相应的车辆模型和桥梁模型。利用梁桥振动中介绍的近似方法，研究拱桥固有振动的基本动力特性，为进一步讨论拱桥在各种动荷载作用下的强迫振动奠定基础。同时以刚架拱桥-津淮桥为背景，使用ANSYS软件建立了空间有限元模型，实施了桥跨结构的自振特性模拟分析。并分析了考虑到模型简化过程中部分结构参数取值的差异、桥面板的约束状况不同等因素对自振特性结果的影响。研究揭示，刚架拱具有与其他一般抛物线(或桥面系用竖杆简支的拱桥)不同的动力特性，其振型序列显示出明显的刚架和梁的特征。根据对自振特性的理论分析，结合工程检测实例分析了该桥的动力特性、刚度变化，提出处理意见及加固方案。 车辆在桥梁上的运动是一个复杂的动力学过程，牵涉到很多因素。显然，研究这样的问题，仅从某个单一系统着手，难以反应其本质。所以，将车辆系统与桥梁系统作为一个总体大系统，而将车轮和桥面关系作为两个子系统的“纽带”，进行“车桥耦合动力学”的研究，可以更为客观地反映系统的本质。事实上，在计算技术日益进步及车辆动力学、桥梁动力学研究日益成熟的今天，将两者统一起来考察，不仅十分必要，而且也是切实可行的。 最后，在刚架拱桥车致振动及自振特性分析的基础上，提出了简单、灵活的桥梁振动模拟仿真方法，指出了该研究有待继续完成的内容和今后的发展方向。

目录

文摘

英文文摘

声明及关于论文使用授权的说明

1绪论

1.1引言

1.2车桥耦合动力学的研究历史

1.3计算机模拟仿真

1.3.1概念与应用

1.3.2 ANSYS简介

1.4本论文的主要研究内容

1.4.1研究背景

1.4.2研究目标

1.4.3研究思路

2车桥耦合动力学的理论发展

2.1早期理论

2.1.1匀速移动常量力作用

2.1.2匀速移动简谐力作用

2.1.3匀速滚动质量的作用

2.1.4匀速移动的簧上质量作用

2.2现代理论

2.2.1多轴车辆作用

2.2.2三维汽车模型作用

2.2.3考虑路面不平度影响

2.3几点小结

2.4振动方程的基本解法

3梁桥车振动力特性分析

3.1匀速滚动质量的作用

3.2匀速移动弹簧—质量的作用

3.3匀速移动双轴汽车荷载的作用

4一般拱桥车振动力特性分析

4.1概述

4.2匀速移动简谐力的作用

4.3匀速移动双轴汽车荷载的作用

5模型的建立与运动方程的推导

5.1车辆模型的建立与动力分析

5.1.1车辆模型的建立

5.1.2车辆运动方程推导

5.1.3车辆模型的动力特性

5.2桥梁模型的建立与动力分析

5.2.1刚架拱桥简介

5.2.2桥梁运动方程推导

5.2.3分析方法与目的

6刚架拱动力特性分析算例

6.1刚架拱实桥举例

6.2单肋模型与空间模型

6.2.1桥梁单肋模型

6.2.2全桥空间模型

6.3刚架拱桥自振特性

6.4结构参数的分析

6.4.1边界条件

6.4.2材料特性

6.4.3主拱肋截面刚度

6.5刚架拱桥动力特性测试试验

6.5.1试验目的

6.5.2试验方法和测试内容

6.5.3试验结果分析

6.5.4相关小结

7刚架拱桥车振分析简化模型

7.1桥梁模型-弹性支承连续梁

7.2车辆模型-二自由度质量弹簧阻尼系统

7.3振动系统耦合方程组

7.3.1桥梁运动控制方程

7.3.2车辆运动控制方程

7.3.3位移约束方程

7.4进一步的工作

8结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢