基于ABAQUS对高速铁路环境振动的数值模拟及振动特性分析

摘要

高速铁路具有速度快，输送能力大以及安全舒适等特点，近年来我国的高速铁路发展迅猛，然而，高速列车运行时所引起的周围地面及临近建筑物的振动会对人们正常的生产和生活造成不利的影响，严重时甚至会造成地基的软化，钢轨的疲劳失效，供给列车的电源中断，对列车运行安全性造成影响。因此，如何正确地模拟移动列车产生的振动已经成为一项基础性的研究工作。本文在总结了铁路交通诱发的环境振动研究内容和研究方法的基础上，对无砟轨道条件下高速列车诱发的环境振动的振动特性和衰减规律进行了研究。主要研究内容如下:
　　(1)利用有限元软件ABAQUS建立了高速列车-无砟轨道-地基土动力相互作用三维模型，其中列车模型中车体、转向架、轮对均被视为刚体，采用具有二系悬挂系统的车辆垂向分析模型;为防止有限元边界处的振动波反射，地基土采用了有限元-无限元耦合模型进行模拟，轨道不平顺则基于德国高速铁路轨道不平顺谱，采用逆傅氏变换法，通过MATLAB编程进行了模拟。
　　(2)建立了移动荷载-地基土三维模型，分析了不同的荷载移动速度对自由场地地面振动特性和传播规律的影响。
　　(3)利用建立的高速列车-无砟轨道-地基土动力相互作用三维模型，讨论了自由场地地基土的振动特性和衰减规律，并且通过变换参数分析了地基土的阻尼比、软硬土对高速列车通过时引起的自由场地的振动特性和传播规律的影响。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 高速铁路交通诱发的环境振动研究现状

1．2．1 研究内容

1．2．2 研究方法和研究现状

1．3 振动波在地基土中的衰减

1．3．1 振动衰减的原因

1．3．2 振动衰减的特点

1．3．3 振动衰减预测方法

1．4 本文研究工作

1．5 本章小结

第2章 有限元-无限元耦合模型的理论基础

2．1 有限单元法

2．1．1 数值分析方法

2．1．2 有限单元法的发展

2．2 非线性动力学分析

2．2．1 非线性分析

2．2．2 动力学分析及ABAQUS中求解方法的选择

2．2．3 Newmark时间积分方法原理

2．2．4 ABAQUS显式算法中的稳定极限

2．3 轨道不平顺

2．3．1 轨道不平顺的基本理论

2．3．2 轨道不平顺数值模拟

2．4 无限元

2．4．1 无限元基本理论

2．4．2 ABAQUS中定义无限元

2．5 阻尼

2．5．1 阻尼的概念

2．5．2 阻尼系数的确定

2．6 本章小结

第3章 列车-轨道-地基土动力相互作用模型的建立及校核

3．1 列车模型

3．1．1 列车的假定

3．1．2 列车参数

3．2 轨道模型

3．2．1 轨道结构尺寸

3．2．2 轨道结构的材料参数

3．2．3 轨道结构的单元选取

3．2．4 轮轨接触及轨道结构连接

3．2．5 轨道不平顺的模拟

3．3 路基模型

3．4 地基土模型

3．4．1 地基土假定

3．4．2 地基土材料参数

3．4．3 地基土的尺寸、单元和边界

3．5 阻尼的计算

3．6 分析步时间及时间增量步的选择

3．7 有限元模型的校核

3．8 本章小结

第4章 高速列车引起的自由场地振动的传播规律及影响因素分析

4．1 振动特性和衰减规律分析

4．2 地基土质对振动的影响

4．2．1 对自由场地振动特性的影响

4．2．2 对振动波衰减规律的影响

4．3 地基土阻尼比对振动的影响

4．3．1 对自由场地振动特性的影响

4．3．2 对振动波衰减规律的影响

4．4 本章小结

第5章 荷载移动速度对地基土振动的影响及马赫锥现象

5．1 模型的建立

5．1．1 地基土模型

5．1．2 移动荷载的模拟

5．1．3 时间增量步的选择

5．2 荷载移动速度的影响

5．2．1 对自由场地振动特性的影响

5．2．2 对振动波衰减规律的影响

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文的主要结论

6．2 有待进一步解决的问题

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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