基于移动单元法的高速铁路有砟轨道车-轨耦合动力分析

来源 :长安大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lm20090910
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随着我国铁路事业的飞速发展,列车运行速度、运载重量以及铁路运输密度均不断提高。由此引发的列车与轨道之间的动力相互作用更加剧烈。特别是有砟轨道结构在行车荷载长期作用下,可能会出现轨枕失效,道砟液化、粉化、飞溅等问题,从而严重影响乘车舒适性及行车安全。鉴于此,对高速铁路有砟轨道系统动力响应的研究仍需不断深入。目前,有限单元法仍旧是车辆-轨道振动问题常用的数值方法。但随着列车速度的不断提升,采用有限元方法不可避免会造成模型规模急剧变大的问题,计算效率大幅降低。本文基于已有移动单元法(MEM)研究成果,将MEM应用到高速铁路有砟轨道系统的动力学研究中,考虑了路基土体的剪切效应,并建立了车辆-有砟轨道-路基耦合动力学模型。主要工作内容及研究成果如下:(1)介绍了本文所采用的车辆模型以及轮轨接触模型,在已有有砟轨道模型基础上,结合双参数地基模型研究成果,提出了考虑路基土体剪切效应的车辆-有砟轨道-路基耦合动力学模型,并推导出其在固定坐标系下的动力学方程。(2)对本文计算模型进行合理化假设,基于MEM的基本原理,推导了车辆单元和轨道单元在移动坐标系下的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵,最终建立车辆-有砟轨道-路基耦合系统动力学方程矩阵形式。(3)编制了车辆-有砟轨道-路基耦合系统振动分析的MATLAB程序。采用移动力模型验证了MEM和程序的可靠性。结果表明:MEM计算所得结果与FEM吻合较好,且精度更高、计算速度更快。随后采用MEM计算了车辆-有砟轨道-路基耦合系统的垂向振动特性,计算结果显示,钢轨、轨枕、道砟的动力响应逐层递减,车体竖向加速度值大约在-0.04m/s~2~0.04m/s~2之间振荡。(4)分析了车辆行驶速度、轨道不平顺以及轨枕空吊对车辆-有砟轨道结构动力响应的影响。主要结论有:行车速度越快,轨道不平顺幅值越大、波长越短,车辆-有砟轨道结构的动力响应越大;行车速度和轨道不平顺对行车安全性有显著影响,列车以30m/s的速度运行,即使存在严重轨道不平顺,也能平稳运行,而在90m/s的行车速度下,中等程度的轨道不平顺就能引起列车“跳轮”影响行车安全;轨枕空吊对车辆-有砟轨道结构动力响应有十分显著的影响,列车经过空吊区域时,车辆-有砟轨道结构的动力响应会发生突变,且与空吊轨枕相邻的轨道结构也会受到十分显著的影响。另外,和谐号动车组悬挂系统具有良好的减振、耗能效果,能够保证乘客的乘车舒适性,具体表现为各种工况作用下的车体竖向加速度值均远小于0.13g。
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