高速铁路车桥耦合及其应用的研究

论文摘要

列车通过桥梁时将引起桥梁结构的振动,而桥梁的振动又反过来影响车辆的振动,这就是车桥耦合振动问题。随着现代列车速度的不断提高,桥梁结构在铁路线路中的大量使用,高速铁路车桥耦合振动问题的研究就变得越来越重要。因此,车桥动力学问题也越来越受到学术界关注,有必要对列车过桥的车桥耦合振动问题进行分析。本文在对国内外车桥动力相互作用问题的发展历史和研究现状进行综述的基础上,运用车辆、桥梁耦合大系统的思想,建立了车桥耦合三维动力学模型,编制了分析软件,研究了列车对高速铁路桥梁的影响。主要研究内容包括:1.建立了车桥耦合动力分析模型。将车桥耦合系统分解成三个子系统:车辆子系统、桥梁子系统和轮轨子系统。针对车辆子系统,以具有二系悬挂的四轴车为主要分析对象,将车体、转向架、轮对简化为刚体,建立了车辆空间振动分析模型。针对桥梁子系统,用有限单元法建立了桥梁的动力分析模型,并且用达朗贝尔原理推导了桥梁动力学方程。针对轮轨子系统,介绍了轮轨接触几何关系,详细介绍了针对任意形状的迹线搜索法。求解轮轨间的相互作用力时,垂向处理为Hertz非线性弹性接触,横向则用蠕滑理论求解,并用迭代法来确定轮轨力。2.介绍了车桥耦合的具体过程,推导了车辆外力和桥梁等效节点力具体形式。推导了求解车桥振动微分方程组的方法——Newmark-β法和Wilson-θ法。介绍了用迭代法求解车辆和桥梁耦合动力学方程的思想和具体过程,本文选用力收敛准则作为终止迭代循环的判据。编制了车—桥动力分析程序并介绍了程序具体实现过程。3.编制了车桥耦合动力分析软件（TBDCA）的计算核心部分。介绍了软件的结构、功能、以及主要操作界面,并建立了具体车桥模型对软件计算结果进行了验证。4.简要分析了耦合系统中列车桥上走行性。建立简单模型,研究了列车速度、轨道不平顺幅值、轨道不平顺周期等因素对车桥系统耦合振动响应的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 车桥耦合振动研究对象
• 1.3 车桥耦合振动研究的国内外进展
• 1.3.1 试验研究
• 1.3.2 理论研究
• 1.4 本文研究工作的主要内容
• 第二章 车桥耦合计算模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 车辆多刚体模型的建立
• 2.2.1 基本假定及简化
• 2.2.2 机车力学特性矩阵
• 2.3 桥梁有限元模型的建立
• 2.3.1 单元的选取
• 2.3.2 空间梁单元的有限元分析
• 2.3.3 桥梁有限元动力学方程的建立
• 2.4 轮轨接触模型的建立
• 2.4.1 轮轨接触几何参数的求解
• 2.4.2 轮轨法向接触力计算
• 2.4.3 轮轨切向蠕滑力计算
• 2.5 本章小结
• 第三章 车桥耦合振动方程解法与程序设计
• 3.1 引言
• 3.2 车—桥系统耦合关系
• 3.2.1 车—桥几何耦合关系
• 3.2.2 车—桥力学耦合关系
• 3.2.3 耦合方程迭代求解的收敛准则
• 3.3 车桥耦合振动微分方程解法
• 3.3.1 Newmark-β法
• 3.3.2 Wilson-θ法
• 3.4 车—桥耦合系统振动计算核心程序设计
• 3.4.1 程序耦合计算原理
• 3.4.2 程序主要结构
• 3.4.3 程序执行过程及流程图
• 3.5 本章小结
• 第四章 车桥耦合振动分析软件简介与实例验证
• 4.1 引言
• 4.2 TBDCA简介
• 4.2.1 TBDCA的具体结构
• 4.2.2 TBDCA的主要功能
• 4.2.3 TBDCA的操作界面
• 4.3 TBDCA实例计算
• 4.3.1 模型的选取
• 4.3.2 结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 耦合系统桥上列车走行性分析
• 5.1 引言
• 5.2 计算模型的选取
• 5.3 不同参量对轮轨力的影响
• 5.3.1 不平顺波深的影响
• 5.3.2 不平顺波长的影响
• 5.3.3 行车速度的影响
• 5.4 不同参量对车体加速度的影响
• 5.4.1 不平顺波深的影响
• 5.4.2 不平顺波长的影响
• 5.4.3 行车速度的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结与工作展望
• 6.1 本文主要工作内容
• 6.2 本文研究工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢