中低速磁浮车辆-钢箱梁耦合振动仿真分析

摘要

中低速磁浮交通因其不依靠轮轨接触运行、曲线通过能力强、坡道运行能力高、噪声小等特点，近年来在日本、韩国和中国得到发展和工程示范应用。为了防止出现过大的磁浮车桥耦合振动，中低速磁浮交通广泛采用了混凝土轨道梁，很少使用钢结构梁，但钢结构梁的制造和安装较混凝土梁更为便捷，在市区繁华地段的磁浮线建设中具有明显的优势。本文针对一种多功能变刚度磁浮钢箱梁，开展了磁浮车辆-钢箱梁耦合振动仿真研究，以期为磁浮钢结构梁工程设计提供理论依据和应用参考。　　首先介绍了跨度25m变刚度钢箱梁结构形式，建立了磁浮轨道和3种不同刚度钢箱梁结构的有限元模型，进行了模态分析和列车悬浮设计荷载作用下钢箱梁的静挠度计算分析。计算结果表明，磁浮轨道与中间梁高1.8m(钢梁1#)、1.9m(钢梁2#)和2.1m(钢梁3#)钢箱梁结构的一阶垂弯模态频率分别为7.53Hz、7.82Hz和8.31Hz，均大于规范规定的竖向基频限值。磁浮轨道-钢箱梁结构的多个中高阶模态包含了轨排模态，频率分布在50~70Hz之间，轨排模态受自身结构与参数的影响，与钢箱梁高度无关。在列车悬浮设计荷载作用下三种钢箱梁竖向变形分别为6.77mm、6.22mm和5.09mm，其中钢梁1#的竖向变形稍大于规范规定的容许限值6.58mm。　　利用课题组建立的中低速磁浮列车动力学模型和SIMPACK与ANSYS耦合计算器，计算了磁浮列车以120km/h速度通过三种钢箱梁时的耦合振动响应。仿真结果表明，三种钢箱梁的跨中竖向挠度分别为6.78mm、6.32mm和4.70mm，其中钢梁1#的垂向挠度略微超过限值。三种钢箱梁跨中处梁体的垂向加速度分别为5.17m/s2、4.45m/s2和3.83m/s2，其中钢梁1#垂向加速度幅值大于我国铁路桥梁(有砟轨道)的竖向振动加速度限值0.5g。三种钢箱梁上F轨的垂向加速度高达20.54m/s2、18.97m/s2和15.01m/s2，远大于钢箱梁梁体垂向加速度。三种钢箱梁上车体质心垂向加速度最大值仅0.229m/s2，磁浮车辆的垂向平稳性指标值略微超过2.5。　　最后仿真分析了列车以40km/h低速通过钢梁3#时的耦合振动响应，与车速120km/h工况的计算结果进行对比。车速40km/h工况下钢梁3#跨中处梁体垂向变形、F轨垂向变形略小于车速120km/h速度工况，但梁体和F轨的垂向加速度幅值均大于120km/h速度工况；电磁铁悬浮间隙波动幅值为1.05mm，也大于120km/h速度工况，仍小于悬浮间隙容许波动限值4mm，磁轨发生机械碰撞的风险不大。两种速度工况下磁浮车桥耦合振动的差别与工程实际吻合，低速时F轨和钢箱梁振动加速度更大的可能原因是：电磁悬浮力是主动有源力，钢箱梁结构阻尼小，低速通过时钢梁受车辆荷载作用时间更长，钢梁积累的能量得不到快速耗散，故电磁铁与钢梁耦合振动更剧烈。

目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 磁浮交通技术概况

1.2.1 国外磁浮技术发展概述

1.2.2 国内磁浮技术发展概述

1.3 EMS磁浮交通车-轨-桥耦合动力学研究现状

1.4 研究目标和主要内容

1.4.1 研究目标

1.4.2 研究内容和方法

第2章变刚度钢箱梁有限元建模与模态分析

2.1 变刚度钢箱梁结构与参数

2.2 磁浮轨道-钢箱梁有限元模型

2.3 磁浮轨道-钢箱梁有限元模态分析

2.3.1 磁浮轨道-梁高 1.8 m钢箱梁结构模态分析

2.3.2 磁浮轨道-梁高 1.9 m钢箱梁结构模态分析

2.3.3 磁浮轨道-梁高 2.1 m钢箱梁结构模态分析

2.4 磁浮车辆悬浮荷载作用下轨道-钢箱梁竖向变形

2.5 本章小结

第3章磁浮车辆-钢箱梁耦合振动分析模型

3.1 中低速磁浮车辆结构与参数

3.2 中低速磁浮列车动力学模型

3.3 磁浮轨道几何不平顺

3.4 磁浮车辆-桥梁耦合动力学仿真方法

3.5 本章小结

第4章时速120 km时磁浮车辆-钢箱梁耦合振动响应

4.1 钢箱梁垂向变形与振动响应

4.2 F轨垂向变形与振动响应

4.3 磁浮车辆系统动力响应

4.3.1 车体振动加速度与运行平稳性

4.3.2 悬浮架动力学响应

4.3.3 电磁悬浮系统动力学响应

4.4 本章小结

第5章时速40 km时磁浮车辆-钢箱梁耦合振动响应

5.1 时速 40 km/h时钢箱梁变形与振动响应

5.2 时速 40 km/h时 F轨变形与振动响应

5.3 时速 40 km/h时车辆动力学响应

5.3.1 车体振动加速度响应

5.3.2 悬浮架动力学响应

5.3.3 电磁悬浮系统动力学响应

5.4 两种速度工况下车辆-钢箱梁耦合振动响应比较

5.5 本章小结

结论与展望

1. 主要研究结论

2. 值得进一步开展的工作

（2）考虑建立磁浮车辆-轨道-桥梁空间耦合振动模型

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加科研项目情况