磁浮单跨轨道梁温度变形及对振动的影响

论文摘要

磁浮轨道梁作为磁浮线路的主要组成部分,是列车运行中安全性和舒适性的主要控制因素之一。本文主要研究了磁浮轨道梁在日大气环境下的温度变形,以及在温度变形下研究车辆通过时的动力反应。温度作用下桥梁的变形,分析主要取决于桥梁的温度梯度模式的选取及温度设计值的大小,不同国家提出了不同的半经验半理论的温度梯度模式。现有的箱梁结构温度效应的研究成果主要是针对公路、铁路箱梁,其特点是箱梁的翼缘悬臂较长,腹板高度相对较小,在一般的日照角度下,腹板完全处于阴影中,但本文讨论的磁浮箱梁,截面形式与一般的公路、铁路箱梁不同,腹板较高,翼缘较窄,腹板直接承受日照。温度变形使轨面不平顺,作为一种激励因素会加剧车桥系统的振动。因此有必要对轨道梁的温度变形以及磁浮列车通过时温度变形对桥梁振动产生的影响进行深入的研究。本论文参照公路、铁路工程中温度变形分析的一般原理和方法,针对磁浮轨道梁对温度变形要求更严格的特点,应用混合边界对边界条件进行了改进。通过有限元仿真分析,对磁浮上海线不同走向的轨道梁进行了分析,寻找出适合磁浮箱形梁的温度梯度模式,为这种轨道梁的简化计算提供参考。分析表明,这种磁浮箱梁截面轨道梁的日照温度梯度分布模式既不同于公路桥梁中的T形截面梁,也不同于传统铁路的箱梁。以德国磁浮车辆为原型,考虑磁浮系统电磁悬浮力连续分布和主动控制的特点,对轨道梁采用无限自由度的连续结构,建立了车桥耦合振动分析模型。为了分析磁浮车辆通过磁浮简支轨道梁时的振动反应,考虑了磁浮车辆5节车厢编组和30根首尾相连的简支轨道梁,以第26根梁的振动反应作为结果进行分析。运用上述车桥耦合振动分析模型,并编制了FORTRAN程序,分析了目前上海线使用的简支梁的振动。通过大量的计算分析,研究温度作用、车速、轨道梁跨度等参数对轨道梁振动的影响。分析认为,在日照温度作用下轨道梁产生向上的位移,当磁浮车辆以较小速度通过时,轨道梁温度变形越大梁的冲击系数越大;当车速超过340km/h后,轨道梁温度变形越大梁的冲击系数越小。考虑温度变形的情况下,轨道梁的冲击系数、加速度随着车速的增加趋于增大。分析结果表明,目前使用的轨道梁振动性能良好。本论文所建立的轨道梁温度作用分析模型、箱梁截面温度梯度模型和考虑温度变形影响的车轨振动分析方法与结论,可为相关磁浮线路设计提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高速磁浮交通技术简介
• 1.2 磁浮交通技术在我国的发展
• 1.2.1 磁浮列车的研制概况
• 1.2.2 磁浮线路的工作原理及主要特点
• 1.2.3 磁浮线路在我国的发展
• 1.3 混凝土箱梁温度影响综述
• 1.3.1 国内外研究现状
• 1.3.2 各国规范对温度梯度的规定
• 1.4 轨道不平顺对车桥耦合振动的影响
• 1.4.1 轮轨系统的轨道不平顺
• 1.4.2 磁浮系统轨道不平顺
• 1.5 本文的主要内容
• 第二章 箱梁温度场和温度效应基本理论
• 2.1 温度荷载的分类与特点
• 2.2 基本假定与热传导微分方程
• 2.3 定解条件
• 2.3.1 时间条件
• 2.3.2 边界条件
• 2.4 边界条件的确定
• 2.4.1 对流换热
• 2.4.2 长波热辐射
• 2.4.3 日照辐射
• 2.5 热传导微分方程的近似数值解法
• 2.5.1 有限差分法
• 2.5.2 有限单元法
• 2.6 瞬态温度场的求解
• 2.6.1 向前差分
• 2.6.2 向后差分
• 2.6.3 差分格式的发展
• 2.7 温度变形
• 2.7.1 温度应力
• 2.7.2 简支梁的温度变形
• 2.8 本章小结
• 第三章 磁浮轨道箱梁温度场数值仿真
• 3.1 引言
• 3.2 ANSYS 的分析步骤
• 3.2.1 建立分析模型
• 3.2.2 施加温度荷载
• 3.2.3 设置求解项
• 3.2.4 后处理
• 3.3 用APDL 创建宏
• 3.4 日照作用下南北走向箱梁温度场的确定
• 3.4.1 参数的确定
• 3.4.2 温度云图
• 3.4.3 温度场对梁挠度的影响
• 3.4.4 等效一维温度场的确定
• 3.5 日照作用下东西走向箱梁温度场的确定
• 3.6 最不利温度梯度的确定及对挠度的影响
• 3.6.1 建议温度梯度分布
• 3.6.2 温度挠度
• 3.7 本章小结
• 第四章 磁浮车桥系统耦合振动分析
• 4.1 磁浮系统与轮轨系统车桥耦合振动比较
• 4.1.1 轮轨系统车桥耦合振动与激振
• 4.1.2 磁浮交通系统车桥耦合振动与激振
• 4.2 车桥耦合振动模型的建立
• 4.2.1 车辆模型
• 4.2.2 电磁铁模型
• 4.2.3 控制器模型
• 4.2.4 轨道梁模型
• 4.3 简支梁的自振特性
• 4.4 本章小结
• 第五章 温度变形下简支轨道梁振动数值仿真
• 5.1 车辆匀速通过时简支梁分析项的确定
• 5.1.1 简支梁各阶振型的广义荷载
• 5.1.2 简支梁数值仿真初始条件的确定
• 5.2 程序说明与计算流程图
• 5.2.1 主程序
• 5.2.2 控制子程序
• 5.2.3 车辆子程序
• 5.2.4 轨道梁子程序
• 5.2.5 其它子程序
• 5.3 磁浮上海线简支轨道梁参数确定
• 5.4 轨道梁不同位置的振动反应
• 5.5 轨道梁跨中振动反应
• 5.5.1 不同车速通过时轨道梁跨中的振动反应
• 5.5.2 不同温度作用对车辆动力特性的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文