考虑减振结构时效特性的轻轨系统耦合振动研究

论文摘要

近年来随着我国城市轨道交通的迅速发展,城市轨道交通对减振降噪的要求不断提高,各种减振降噪型轨道结构也得到了广泛应用,浮置板轨道作为目前最为有效的减振轨道结构形式,其工程应用实例也越来越多。本文对浮置板下橡胶减振支座的时效特性（尤其是疲劳老化特性）进行了深入研究,以加速疲劳老化试验为基础,得到了橡胶减振支座的等效刚度、阻尼损耗因子以及等效阻尼系数与试验时间的变化关系;进而编制了车辆-结构耦合动力分析程序,得到了在考虑橡胶支座疲劳老化特性的基础上,车辆-结构耦合动力系统各部分的动力特性随时间的迁移变化特性;运用基于四端参数的导纳形式功率流法,从能量的角度对浮置板轨道结构的传递特性进行研究,同时也在考虑橡胶支座疲劳老化特性的基础上,得到了浮置板轨道结构能量传递特性随时间的迁移变化特性;最后运用功率流法与传递函数法对浮置板轨道结构的传递特性做了对比研究,得到了比较一致的结论。本文主要从以下几方面进行了比较有创新性的研究:一.以浮置板橡胶支座加速疲劳老化试验为手段,得到橡胶支座的物理力学特性（等效刚度、损耗因子及等效阻尼系数）与老化试验时间的关系;将老化试验时间折算成正常工况下的服役年限,便得到橡胶支座的等效刚度、损耗因子及等效阻尼系数与服役年限的变化关系。本文的橡胶支座疲劳老化试验与一般的疲劳试验有两点不同:（1）一般的疲劳试验为等幅疲劳,而本文疲劳试验所用荷载为随机荷载,通过等效损伤疲劳编辑,简化为八级变幅载荷程序块谱。（2）一般的橡胶疲劳试验为校验性试验,即当荷载循环进行到一定次数的时候（通常为107次）,终止试验并对橡胶支座的性能进行校验,如未出现破坏,则试件疲劳性能合格。但是本疲劳试验在疲劳试验进行的过程中,通过MTS疲劳试验机数据采集系统,定期采集荷载和变形信息,可以得到试件的疲劳性能在整个试验进程中的变化趋势。二.编制了车辆-结构耦合动力分析程序,并采用“动态单元法”对轮轨瞬时脱离问题进行求解。本文的“动态单元”并非真实的物理单元,而是为了计算方便而引入的,“动态单元”是否引入计算主要依赖于接触状态的判断,即接触状态的动态判据是时间和空间的函数。三.基于模块化的程序设计,将浮置板橡胶支座的老化特性引入车辆-结构耦合动力分析程序,进一步研究橡胶支座的老化特性（主要是等效刚度、损耗因子及等效阻尼系数）的变化对车辆-结构耦合系统动力特性的影响。四.引入基于四端参数法的导纳形式功率流理论,对浮置板轨道结构的竖向能量传递特性进行研究;同时进一步研究了橡胶支座的老化特性对浮置板轨道结构功率流传递特性的影响;最后运用传递函数法与功率流法对浮置板轨道结构的传递特性进行了对比研究。本文采用试验、理论分析与数值计算相结合的方式,对城市轨道交通浮置板轨道结构橡胶支座的疲劳老化特性进行了深入研究,且在此基础上,对车桥耦合系统各部分的动力学特性以及浮置板轨道结构的传递特性随时间的迁移变化特性进行了研究,对工程实践具有良好的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究背景
• 1.3 减振轨道结构
• 1.3.1 一般轨道结构
• 1.3.2 有碴轨道和无碴轨道
• 1.3.3 浮置板式轨道结构
• 1.4 浮置板式轨道结构中的减振部件
• 1.4.1 扣件及轨下橡胶垫板
• 1.4.2 钢弹簧减振器
• 1.4.3 橡胶减振支座
• 1.4.4 橡胶复合弹簧减振器
• 1.5 研究现状
• 1.5.1 橡胶热老化研究
• 1.5.2 叠层橡胶支座耐久性研究
• 1.5.3 橡胶疲劳老化机理研究
• 1.5.4 功率流方法研究
• 1.6 本文的研究内容
• 第二章 浮置板橡胶减振支座的时效特性
• 2.1 时效特性的含义
• 2.2 影响橡胶减振支座时效特性的因素
• 2.2.1 空气氧化
• 2.2.2 臭氧及其作用
• 2.2.3 光及其作用
• 2.2.4 热及其作用
• 2.2.5 机械应力及其作用（疲劳荷载）
• 2.2.6 水分、油和化学药品的作用
• 2.3 橡胶制品老化防护的常见对策
• 2.3.1 添加化学防老剂
• 2.3.2 物理防护
• 2.4 浮置板橡胶支座老化因素敏感性分析
• 2.4.1 空气氧化老化敏感性分析
• 2.4.2 臭氧老化敏感性分析
• 2.4.3 紫外线老化敏感性分析
• 2.4.4 其他老化因素敏感性分析
• 2.5 影响橡胶疲劳老化特性的因素
• 2.5.1 材料性质的影响
• 2.5.2 载荷的影响
• 2.6 小结
• 第三章 浮置板橡胶减振支座疲劳老化特性试验研究
• 3.1 试验对象的确定
• 3.2 试验设备及装置
• 3.3 加速疲劳载荷谱编制
• 3.3.1 现场实测
• 3.3.2 雨流-回线法计数
• 3.3.3 变均值法
• 3.3.4 零均值化折算
• 3.3.5 幅值概率分布（半正态分布）
• 3.3.6 无效幅值的舍弃（门槛值的设定）
• 3.3.7 加速疲劳试验载荷谱
• 3.4 试验过程中需要注意的问题
• 3.4.1 长周期/短周期加载影响
• 3.4.2 橡胶支座温升的控制
• 3.5 橡胶减振支座动态特性分析
• 3.5.1 橡胶材料的复弹性模量
• 3.5.2 橡胶材料的复刚度
• 3.5.3 橡胶材料椭圆方程的两种表达形式
• 3.5.4 橡胶材料的等效粘性阻尼系数
• 3.6 试验结果及分析
• 3.6.1 等效竖向刚度与等效粘性阻尼系数计算
• 3.6.2 橡胶支座等效竖向刚度与试验时间关系
• 3.6.3 橡胶支座损耗因子与试验时间关系
• 3.6.4 橡胶支座等效粘性阻尼系数与试验时间关系
• 3.7 小结
• 第四章 考虑橡胶减振结构时效特性的车辆-结构耦合动力分析程序
• 4.1 车辆模型
• 4.2 下部结构模型
• 4.2.1 短型与长型浮置板轨道简化模型
• 4.2.2 钢轨、浮置板、高架桥单元矩阵
• 4.2.3 下部结构子系统间相互耦合作用
• 4.3 轮轨耦合作用的程序实现－动态单元法
• 4.3.1 动态单元法的提出
• 4.3.2 动态单元法的实现
• 4.3.3 动态单元处理的另一尝试—修改刚度矩阵法
• 4.4 橡胶减振支座时效特性的导入
• 4.4.1 加速疲劳老化试验时间与正常服役年限的折算
• 4.4.2 橡胶支座等效竖向刚度与等效粘性阻尼系数时效特性实现
• 4.5 车辆-结构耦合动力分析程序的编制
• 4.5.1 程序流程框图
• 4.5.2 轨道随机不平顺激励的时域实现
• 4.5.3 关键控制参数
• 4.6 程序校验
• 4.6.1 现场实测
• 4.6.2 实测参数
• 4.6.3 本文计算参数
• 4.6.4 本文数值仿真结果与实测结果比较分析
• 4.7 小结
• 第五章 考虑减振结构时效特性的车辆-结构耦合振动响应分析
• 5.1 参数设定
• 5.1.1 车辆参数
• 5.1.2 轨道及高架桥结构参数
• 5.1.3 浮置板结构参数
• 5.2 车辆-结构耦合系统动力特性分析
• 5.2.1 轨道动力特性分析
• 5.2.2 浮置板动力特性分析
• 5.2.3 高架桥动力特性分析
• 5.2.4 车体动力特性分析
• 5.2.5 转向架动力特性分析
• 5.2.6 轮对动力特性分析
• 5.3 橡胶支座刚度时效特性对系统动力特性的影响
• 5.3.1 橡胶支座刚度时效特性对轨道动力特性的影响
• 5.3.2 橡胶支座刚度时效特性对浮置板动力特性的影响
• 5.3.3 橡胶支座刚度时效特性对高架桥动力特性的影响
• 5.3.4 橡胶支座刚度时效特性对车辆动力特性的影响
• 5.4 橡胶支座阻尼时效特性对系统动力特性的影响
• 5.4.1 橡胶支座阻尼时效特性对轨道动力特性的影响
• 5.4.2 橡胶支座阻尼时效特性对浮置板动力特性的影响
• 5.4.3 橡胶支座阻尼时效特性对高架桥动力特性的影响
• 5.4.4 橡胶支座阻尼时效特性对车辆动力特性的影响
• 5.5 小结
• 第六章 浮置板轨道结构功率流传递特性分析
• 6.1 功率流理论
• 6.1.1 功率流定义及研究方法
• 6.1.2 阻抗及导纳定义
• 6.1.3 四端参数定义
• 6.2 浮置板轨道振动能量传递分析模型
• 6.2.1 浮置板轨道竖向振动能量传递分析模型
• 6.2.2 簧下质量和钢轨子系统
• 6.2.3 轨下垫板子系统
• 6.2.4 浮置板子系统
• 6.2.5 橡胶减振支座子系统
• 6.2.6 高架桥子系统
• 6.2.7 浮置板轨道竖向功率流计算
• 6.3 浮置板轨道竖向振动功率流分析
• 6.3.1 参数设定
• 6.3.2 流入高架桥的功率流传递谱
• 6.3.3 流入浮置板的功率流传递谱
• 6.3.4 流入轨下垫板的功率流传递谱
• 6.3.5 浮置板轨道各耦合界面处功率流传递谱比较分析
• 6.4 橡胶支座疲劳老化对功率流传递特性的影响
• 6.4.1 橡胶支座动刚度对流入高架桥功率流的影响
• 6.4.2 橡胶支座阻尼损耗因子对流入高架桥功率流的影响
• 6.4.3 橡胶支座动刚度对流入浮置板功率流的影响
• 6.4.4 橡胶支座阻尼损耗因子对流入浮置板功率流的影响
• 6.4.5 橡胶支座动刚度对流入轨下垫板板功率流的影响
• 6.4.6 橡胶支座阻尼损耗因子对流入轨下垫板功率流的影响
• 6.5 影响浮置板竖向能量传递特性的其他因素
• 6.5.1 轨下橡胶垫动刚度对流入高架桥功率流的影响
• 6.5.2 轨下橡胶垫损耗因子对流入高架桥功率流的影响
• 6.5.3 轨下橡胶垫动刚度对流入浮置板功率流的影响
• 6.5.4 轨下橡胶垫损耗因子对流入浮置板功率流的影响
• 6.5.5 轨下橡胶垫动刚度对流入轨下垫板功率流的影响
• 6.5.6 轨下橡胶垫损耗因子对流入轨下垫板功率流的影响
• 6.5.7 浮置板质量对流入高架桥功率流的影响
• 6.5.8 浮置板质量对流入浮置板功率流的影响
• 6.5.9 浮置板质量对流入轨下垫板功率流的影响
• 6.6 功率流法与传递函数法比较分析
• 6.6.1 传递率定义
• 6.6.2 浮置板轨道传递率分析
• 6.6.3 浮置板轨道结构的功率流与传递率对比分析
• 6.7 小结
• 第七章 结论及展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文