高速列车通过桥梁时的变速效应和振动控制研究

论文摘要

随着我国综合实力的显著增强,高速铁路建设得以飞速发展。其中,桥梁占有很大比重,并且多以简支箱梁、连续箱梁为主要梁型。开展高速列车作用下列车—桥梁耦合系统的动力响应及行车平稳性研究已成为十分重要而紧迫的课题。基于列车变速作用和利用TMD减振两种不同工况,本文对列车—桥梁耦合系统开展了初步研究,提出了一种可考虑列车变速运动和TMD影响的列车桥梁振动时域分析方法,并编制相应程序,对高速列车通过简支箱梁和连续箱梁时的车桥动力响应进行分析。主要工作如下:（1）建立了具有两个转向架四个轮对的列车车辆的竖向振动分析模型、桥梁的有限元模型和轨道不平顺模型,根据虚功原理推导出车桥系统的动力方程,此方程适用于作变速运动的车辆与具有任意轨道不平顺函数、各种不同边界条件的桥梁的耦合系统。（2）根据TMD系统的减振原理,对TMD系统进行模拟,将车桥系统的动力方程扩展为列车-桥梁-TMD系统的动力方程。（3）基于Fortran90（?）编制了较为通用的车桥耦合竖向振动分析程序和轨道不平顺计算程序,基于Matlab（?）编制了计算车辆运行平稳性评价指标的程序。其中车桥耦合竖向振动分析程序可进行桥梁结构的静力分析、自振特性分析和车桥系统的动力分析,适用于能够用梁单元、桁架单元和索单元模拟的桥梁模型,适用于移动荷载和可简化为弹簧、阻尼器相连的多刚体模型的车辆模型,能够实现匀变速的车辆作用下的车桥系统的竖向响应分析,也可考虑轨道不平顺的影响,并可以讨论TMD对车桥系统的竖向响应的影响。（4）研究了高速列车在简支梁和连续梁上做匀变速运动时桥梁与车辆的动力响应,讨论了开始变速时的列车位置以及初速度和加速度对桥梁响应的影响,并引入变速效应系数来衡量列车变速与匀速运动引起的桥梁动力响应的差别。结果表明要分析列车变速行驶对桥梁动力响应的影响,必须把列车初速度、加速度以及变速位置等因素综合起来考虑;一般情况下,与匀速运动相比,加速运动中的车体加速度响应峰值增大,减速运动中的车体加速度响应峰值减小。（5）验证了计算共振车速的近似公式,讨论桥梁跨度和轨道不平顺等因素对桥梁竖向共振的影响。（6）研究了TMD系统对高速列车通过简支梁桥时列车、桥梁动力响应的减振效果。分别根据Den Hartog优化准则和最小峰值优化准则来确定TMD系统参数,计算了TMD系统对40m简支梁桥动力响应的影响,结果表明根据Den Hartog优化准则确定TMD参数简单可行,并对共振车速下桥梁的动力响应有更好的控制,可在工程实践中推广使用。并且分析了TMD系统对车辆运行平稳性的影响。（7）进一步分析了TMD系统对高速列车以共振车速通过连续梁桥时的车桥系统动力响应的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 车桥系统的研究现状
• 1.2.1 车桥模型的演化
• 1.2.2 车桥系统的研究思路与数值计算方法
• 1.2.3 考虑车辆变速运动的车桥振动研究
• 1.2.4 TMD系统的应用
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 列车-桥梁-TMD系统振动分析方法
• 2.1 耦合系统子系统的建立
• 2.1.1 桥梁振动分析模型
• 2.1.2 列车车辆的竖向振动分析模型
• 2.1.3 轨道不平顺模型
• 2.1.4 TMD模型
• 2.2 列车─桥梁耦合系统振动方程的建立
• 2.2.1 列车─桥梁系统所做的虚功
• 2.2.2 列车─桥梁系统振动方程的建立
• 2.2.3 列车在桥上变速运动的实现
• 2.3 列车─桥梁─TMD系统振动方程的建立
• 2.4 振动方程求解
• 2.4.1 Wilson-θ法
• 2.4.2 Newmark-β法
• 2.5 车桥耦合分析的程序实现
• 2.6 车辆运行平稳性评价
• 2.6.1 车体加速度指标
• 2.6.2 舒适度指标
• 2.7 本章小结
• 第三章 高速列车在桥梁上做变速运动的初步研究
• 3.1 车桥参数
• 3.1.1 桥梁计算参数及动力特性
• 3.1.2 车辆计算参数
• 3.2 高速列车在简支梁上做变速运动的初步研究
• 3.2.1 列车变速运动下桥梁的动力响应
• 3.2.2 影响变速运动时简支梁响应的因素分析
• 3.2.3 列车变速运动时车辆的动力响应
• 3.2.4 变速效应系数
• 3.3 高速列车在连续梁上做变速运动的初步研究
• 3.3.1 列车变速运动下桥梁的动力响应
• 3.3.2 影响变速运动时连续梁响应的因素分析
• 3.3.3 列车变速运动下车辆的动力响应
• 3.3.4 变速效应系数
• 3.4 本章小结
• 第四章 TMD对高速列车通过桥梁时的振动控制研究
• 4.1 TMD对高速列车通过简支箱梁桥时的振动控制研究
• 4.1.1 共振车速的确定
• 4.1.2 利用DenHartog优化准则的TMD对桥梁动力响应的减振效果分析
• 4.1.3 利用最小峰值优化准则的TMD对桥梁动力响应的减振效果分析
• 4.1.4 TMD系统对车辆运行平稳性的影响
• 4.2 TMD对高速列车通过连续梁桥时的振动控制研究
• 4.2.1 共振车速
• 4.2.2 TMD参数的选择
• 4.2.3 TMD对连续梁动力响应的影响
• 4.2.4 TMD对列车动力响应的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果