重载列车动力学数值模拟

为研究列车纵向冲击对车辆运行安全性的影响,首先对缓冲器动力学模型进行了修正,并利用单自由度车辆冲击对缓冲器特性予以验证;然后采用联合模型法和混合模型法,计算了车辆通过曲线时紧急制动工况下车辆的轮轨横向力和脱轨系数,并与独立模型进行对比。计算结果表明:修正后的缓冲器动力学模型能较好地模拟缓冲器的特性曲线;车辆通过曲线时制动力产生的纵向冲动,导致车辆的曲线通过性能和列车运行安全性降低,在车辆系统动力学分析中应考虑车钩力的影响;联合模型中由于车钩采取固定偏转角,导致其计算结果偏小;混合模型中的车钩偏转角随列车运行是动态变化的,因此混合模型更接近实际运行工况。     

随机振动下多跨弹性支撑梁桥的冲击系数分析

基于随机振动理论和正交试验设计,研究了三跨弹性支撑梁桥的冲击系数及其影响因素。采用虚拟激励法求解桥梁在车辆和桥面不平顺作用下的随机响应,根据三倍标准差准则将桥梁挠度随机响应由统计结果转化为确定性值域,进而求得桥梁冲击系数。通过设计桥梁冲击系数影响因素的正交试验,研究了桥梁长度、桥梁刚度、桥面不平顺、车速、车体质量和车辆轴距对桥梁不同部位的冲击系数的影响规律及显著性。计算结果表明:算法高效、精确,有效克服多因素正交试验带来的庞大计算困难;桥梁不同部位的挠度冲击系数差异较大,且随着桥面不平顺等级的提高而增大;与其他因素相比,对冲击系数影响最为显著的是桥面不平顺,其次为桥梁长度和车速。     

刚构-连续组合桥梁冲击系数多因素灵敏度分析

为了研究影响冲击系数的显著性因素,以某刚构-连续组合桥梁为依托工程,采用三轴二分之一车辆模型,基于通用程序建立了车桥耦合振动有限元分析模型,考虑了车桥频率比、桥面不平整度、车体质量、车辆阻尼比、行车速度、车辆行驶方式、桥梁刚度、桥跨布置和下部结构计算模式等9个影响因素,通过正交试验表研究了该桥在诸因素下结构控制截面的挠度（位移）、弯矩冲击系数,并开展了冲击系数的敏感性因素分析。结果表明,现有规范计算此类桥梁的冲击系数值偏小;车桥频率比、桥面不平度及车辆行驶速度是影响该类桥梁冲击系数的敏感性因素,研究成果为将冲击系数定义为多因素的函数表达式指明了方向     

意大利高速铁路Sesia大桥的动力特性及车桥耦合振动分析

建立了包括钢轨、轨枕、道床、梁体在内的意大利Sesia大桥空间有限元模型,对桥梁的自振特性进行了计算和实测分析。按照轮轨密贴接触假定推导了车-桥系统耦合运动方程组,以德国低干扰谱生成轨道不平顺样本作为激励源,对意大利ETR500Y高速列车通过Sesia大桥引起的桥梁动力响应和桥上车辆的振动响应进行了计算分析,讨论了共振车速的范围并对桥上车辆的运行安全性和平稳性进行了评价。部分计算结果与实测数据进行了对比,吻合较好,从而验证了所建立的模型及分析方法的精度和有效性。结果表明：Sesia大桥结构刚度很大,当列车以288km/h的速度通过时,挠跨比只有1/17510;当列车以340km/h的速度通过时,桥梁的竖向位移出现了一个较为明显的峰值,说明这一速度可能引发结构共振;桥上车辆的各项动力指标响应值均很小,能较好地满足高速行车要求。     

基于不中断交通运行模态分析的模态挠度法在桥梁状态评估中的应用

以张家港河大桥为对象,在不中断交通条件下对该桥实施模态试验,建立和修正其有限元模型,由此对试验模态振型质量归一化。利用振型已质量归一化的试验模态参数,计算该桥已知静荷载作用下的试验模态挠度,通过模态挠度与静挠度实测值的比较、关键问题的仿真研究和模态振型对模态挠度影响的误差分析,探讨和说明了基于不中断交通运行模态分析的模态挠度法在实际工程中应用于桥梁状态评估的可行性与有效性。     

含呼吸裂缝的桥梁振动响应与时频特性分析

本文对车桥耦合系统的动力响应进行时频特性分析。以欧拉梁模拟有损伤的桥梁,以两轴汽车模型模拟移动车辆,利用有限元法建立了有损伤桥梁结构在车辆作用下的运动方程。运用Newmark直接积分法计算出了车桥耦合系统的振动响应,分析了不同裂缝模型对桥梁动力响应的影响,并借助Hilbert-Huang变换获得损伤桥梁动力响应的时频谱和边际谱,结果表明由于呼吸裂缝的影响,桥梁动力响应将呈现出明显的谐波效应;进一步对比不同车流状况作用下桥梁动力响应的时频特性,车流会对桥梁呼吸裂缝的开合变化产生影响,随着车辆的数目增多,桥梁振动加剧,谐波能量也增大。     

重载列车过桥时桥梁的垂向动力分析

本文建立了具有6个自由度重载列车的车辆振动分析模型和重载铁路桥梁的梁段单元模型,通过轮轨接触处的位移协调条件与轮轨相互作用力的平衡关系建立了重载车辆-桥梁系统耦合运动方程,采用迭代求解,编制了重载铁路车-桥耦合振动分析程序。对影响重载铁路简支梁桥的跨中挠度的各种因素进行了分析,分析结果表明：列车的轴重、速度、加速度、减速度及轨道不平顺对重载铁路桥梁的跨中挠度和竖向加速度有着重要影响。     

车辆非平稳行驶状态下的半主动悬架控制

在建立车辆非平稳行驶路面激励模型基础上,应用LQG最优控制对车辆非平稳行驶状态下的悬架进行了半主动控制研究,并与平稳行驶状态下的控制进行比较,分析了悬架性能指标的权重系数对悬架性能的影响。研究表明:车辆在加速行驶时,半主动悬架的车身加速度、车轮动载荷与无控制时相比有一定减小,悬架动挠度在非平稳态行驶状态下的控制响应与无控制时相比有明显的滞后。     

铁路新型钢-混凝土组合桁架桥在列车作用下的动力响应分析

对一种由三角形桁架和混凝土槽形板组成的铁路新型钢－混凝土组合桁架桥建立了车－桥动力相互作用空间分析模型,它由车辆模型和有限元桥梁模型组合而成,以轨道不平顺作为系统的自激激励源。以西安－平凉铁路上的马屋泾河特大桥主桥为工程背景,对这种新型钢-混组合结构的车桥耦合振动进行了动力仿真分析。对桥梁在重载货车、中速客车、高速客车等不同列车荷载工况下的动力响应进行了数值计算,并对桥上车辆的走行性能进行了评价。计算结果表明：该桥式方案能够满足三种类型列车在不同等级车速范围内安全、舒适的运行,可广泛用于我国货运、普通客运及高速铁路     

西南山区高速公路桥梁标准疲劳车辆荷载研究

摘 要：疲劳车模型在桥梁疲劳评估中有着非常重要的作用,本文根据动态称重系统获得的车辆数据,并以等损伤度为理论基准,推导出适用于中国西南山区高速公路桥梁的3轴标准疲劳车模型。车辆统计数据和疲劳损伤度模拟计算表明,超过一半的疲劳损伤由6轴车引起,故根据统计数据以6轴车为原型设计出简化的3轴标准疲劳车模型,并根据Miner线性累积损伤法则,以实际车辆导致的损伤度为目标对疲劳车模型轴重和轴距进行修正。同时,本文针对西部山区高速公路桥梁提出两项建议：其一为基于弯矩概率函数曲线分析,建议最大应力幅峰值取为等效应力幅的3倍而不是AASHTO所规定的2倍,这主要由于该地区部分车辆超载较多所致;其二为BS5400疲劳车模型是实际车辆引起疲劳损伤的1.15倍从而高估了本地区的疲劳损伤,而AASHTO疲劳车引起的疲劳损伤与实际车辆导致的损伤也基本一致,故建议在西部山区高速公路疲劳车规范的选择时,宜选择AASHTO规范,但应根据实际通行车辆对疲劳车通行量进行修正。     

考虑桥面随机不平顺的桥梁动态响应研究

基于随机振动理论研究了桥面不平顺影响下,车桥耦合振动作用时的中小桥梁动态响应曲线。通过建立车桥耦合振动方程,基于虚拟激励法对重力引起的确定性激励和桥面不平顺引起的随机激励求解,得到了桥梁跨中挠度和应力响应的均值和标准差。运用 法则定义随机激励的确定值值域,分析了桥梁跨中位移和应力响应在不同车速和桥面不平顺等级作用下的特性,并讨论了动态响应曲线与准静态影响线的差异。结果表明：桥梁跨中挠度和应力标准差受车速和桥面不平顺等级变化的影响很大;桥梁动态响应值域范围很大,具有较强的随机性;相比准静态影响线,动态响应曲线更能体现车桥之间激励的耦合随机作用。     

一种基于桥梁变形后构形的车辆—柔性桥梁竖向耦合模型

基于车—桥振动桥梁变形后的构形,建立了考虑桥梁变形的车—桥耦合模型。类似于结构抗震分析中,将地震作用下结构的动位移分解为拟静力位移和结构动位移,本文将车辆的运动分解为整体顺着桥面运行和相对自身局部系统的振动。以单轴车辆—简支梁桥为例,建立了基于桥梁变形后构形的车—桥系统竖向振动方程。最后,通过简支梁数值算例对由于桥梁变形产生的附加力进行了分析和研究。     

汽车对桥梁冲击作用分析

为了分析汽车桥梁系统参数变化对动力放大系数的影响规律，将桥梁等效为等长的欧拉梁单元，将汽车等效为两自由度五参数模型，在状态空间求解车桥耦合振动方程得到系统的动力响应，定义了由垂向挠度和弯矩表示的动力放大系数。在数值模拟中研究了桥上路面不平顺、桥梁损伤、汽车参数和汽车速度对冲击系数的影响。     

中下承式拱桥吊杆应力冲击系数不均匀性研究

为研究中下承式拱桥在公路车辆作用下的吊杆冲击系数不均匀性问题,提出基于车桥耦合振动的公路桥梁动力响应分析方法。首先,将车辆简化为4个自由度的整车模型,根据D’Alembert原理推导了车辆振动方程,将桥梁离散为有限元模型,根据车辆与桥梁接触点处位移与力的协调条件耦合二者的振动方程;然后,采用Newmark-β算法,基于MATLAB语言编制了公路桥梁车桥耦合振动计算程序VBAP;最后,以某钢管混凝土拱桥为例,利用该方法与程序分析结构阻尼、桥上路面粗糙度、车重及车速对吊杆应力冲击系数的影响。     

基于车桥耦合振动的车辆舒适性分析

研究车桥耦合振动引起的车辆舒适性问题对合理设计桥梁结构,从而减小车桥耦合振动响应和提高司乘人员的乘坐质量具有重要意义。分别利用有限元法和达郎伯原理建立了大跨度公路斜拉桥三维模型和9个自由度的车辆空间模型。通过位移和力的协调条件将车桥两个子系统耦合起来,求解车桥系统的振动微分方程。基于计算机软件ANSYS中的APDL语言编写了求解振动微分方程迭代计算的命令流,以ISO2631-1―1997标准建立了评价车辆舒适性的方法,并据此分析了主跨为550m的福建长门大桥在多车辆通过时考虑不同车速和车重时的车辆动力响应和车辆舒适性。计算结果表明,随着车速的增加,车辆的动力响应增加,舒适性变差;而随着车重的增加,车辆的动力响应减小,舒适性变好。     

变速车辆与路面不平弹性支撑桥梁的耦合振动分析

建立了适合车辆任意变速运动与任意路面不平函数的弹性支撑桥梁耦合系统的无量纲运动微分方程。作为其特例,研究了匀变速车辆与随机路面弹性支撑桥梁耦合系统,获得桥梁跨中的无量纲最大挠度、桥梁的动接触力扩大因子和车辆的舒适度随车辆的加速度、弹性支撑的刚度和路面不平度系数的变化规律。数值结果表明,车辆的加速度、弹性支撑的刚度和桥面的不平度系数均对桥梁有不同程度的影响亦对车辆的舒适度产生影响。     

拱桁组合体系桥车桥振动分析的模态法

首先计算出拱桁组合体系桥梁的自振特性,以桥梁自由振动的模态和正则坐标作为桥跨结构振动的位移函数,将列车—桥梁作为一个系统,计算出在正则坐标下的桥梁结构及车辆的总势能。基于弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的“对号入座”法则,建立并求解了车桥时变系统在正则坐标下的空间振动方程（一个方程组,而不是车桥各自独立的两个方程组）。有效地减少了车桥振动的自由度和计算机时。计算了某拱桁组合体系桥车桥系统的振动响应。并用该方法计算了41号桥下弦节点的全振幅。计算值与实测值接近,证明该方法是可靠的。     

考虑剪切变形影响的斜桥振动频率与车-桥振动分析

利用修正的Timoshenko梁振动理论建立了等截面斜桥振动频率的超越方程和静力、动力分析有限元列式,用解析法和有限元法分析了斜度、支承方式对单跨斜桥结构前5阶振动频率的影响,对单跨斜桥车-桥振动进行了分析,考察了车速对动挠度、动弯矩的影响和不同截面振动的同相性及最大动挠度、最大动弯矩发生的部位,比较了不同车速条件下规范方法、车-桥振动方法计算的挠度、弯矩冲击系数的差别。算例结果表明:斜桥自振频率解析解与有限元解一致、斜度和支承方式对斜桥动力特性有重要影响、车辆的冲击效应与车速没有单调变化规律、挠度和弯矩的冲击系数不同。     

车桥耦合系统的非线性动力分析

研究了车桥耦合系统的非线性动力特性。基于哈密尔顿能量原理和欧拉-贝努利梁假设,考虑梁的几何非线性影响,建立了移动振动车辆模型下桥梁的耦合非线性振动方程,应用伽辽金法和Runge-Kutta法对方程进行求解,算例中探讨了车辆质量、车速、桥梁阻尼和桥跨径等参数对车-桥耦合系统非线性振动性能的影响。     

非线性桩-土作用对车桥耦合振动的影响研究

该文基于文克尔地基梁理论,利用修正的P-Y曲线法和荷载传递双曲线法,建立了桩-土非线性作用模型。采用了桩和土相对刚度来计算水平方向桩-土相互作用的初始刚度。通过Mohr-Coulomb法则得到土的极限抗力,并结合Matlock P-Y曲线法对极限抗力的表达式进行了修正,从而充分考虑了土的极限抗力的深度效应。编制了桩-土非线性梁单元有限元程序,建立了考虑非线性桩-土相互作用的车桥耦合模型。结合工程实例,分析了非线性桩-土相互作用的桥梁模型对车桥耦合响应的影响,并与墩底固结模型进行了对比。结果表明:在车桥耦合振动过程中,考虑非线性的桩-土相互作用,桥梁的横向位移幅值显著增大,竖向位移幅值增大,桥梁加速度幅值降低。此结果对处于软弱基础的高速铁路桥梁的分析和设计提供了参数和依据。