考虑轮轨非线性接触的车辆-轨道-桥梁垂向耦合系统随机振动分析

基于列车-轨道-桥梁耦合动力学理论,考虑轮轨接触非线性,采用广义概率密度演化理论建立了列车-轨道-桥梁垂向耦合系统非线性随机振动方程。采用数论选点法结合谱表示-随机函数法生成轨道随机不平顺样本,实现了用两个随机变量和少量样本较精确地反映轨道不平顺功率谱的随机特性。以高速列车-简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道为例,从概率及可靠度角度,考虑非线性轮轨关系中跳轨现象以及轨道随机平顺影响,对比分析了线性与非线性轮轨对车辆运行安全性的影响;计算了不同轨道谱、车辆运行速度下轮重减载率概率密度演化规律及其对车辆运行安全性影响。结果表明,建议的方法可通过较少的随机变量和样本计算得到车辆-轨道-桥梁耦合系统非线性随机动力响应及其概率分布,可为车辆运行安全性评价提供更好的指导。     

车辆—轨道耦合系统垂横模型及其验证

本文根据车辆－轨道耦合动力学原理,建立车辆－轨道垂横耦合模型,并进行全面的验证：首先与国际著名软件NUCARS进行对比;其次与车辆－轨道垂向耦合模型得到的车辆和轨道系统垂向随机响应对比;然后与鹰厦线小半径曲线试验结果对比;最后与货物列车的线路试验结果对比。对比结果有力地验证了车辆－轨道耦合系统垂横模型及其求解方法的正确性和合理性,为车辆－轨道耦合系统垂横模型的广泛应用奠定了基础。     

轨道接头压陷激励下轮轨垂向振动分析

本文基于车辆－轨道耦合大系统的思想，将钢轨简化为弹性点支承有限长的欧拉梁、轮轨接触关系采用弹簧接触，建立了轮轨动力学模型。对车轮匀速行驶过程中，在轨道接头压陷激励下轮轨相互作用产生垂向振动响应作了分析。并得出车速、轨头压陷波深对振动的影响。     

基于传递矩阵法的车辆-轨道垂向耦合系统动力分析方法

为准确高效求解车辆-轨道耦合系统动力响应,利用轨道结构的周期性特征,基于传递矩阵法(transfer matrix method,TMM)提出了一种便捷的轨道子系统建模和求解方法.该方法根据轨道系统结构特点,分别将有砟轨道和CRTSⅡ型无砟轨道系统的周期性重复部分划分为不同轨道元胞结构,在元胞结合面引入刚度方程假定,基...     

车辆-轨道非线性耦合系统交叉迭代算法及应用

运用有限元法建立车辆-轨道非线性耦合系统振动分析模型,该模型包含车辆、轨道两个子系统,其中车辆子系统为附有二系弹簧的整车模型,轨道结构子系统为离散的三层弹性梁模型。两子系统通过轮轨非线性接触力和位移协调条件实现耦合。针对车辆-轨道非线性耦合系统动力学方程提出了交叉迭代算法。为加速迭代收敛速度,引入松弛法对轮轨接触力进行修正。为证明算法的正确性,进行了算例验证。同时还给出了CRH3高速动车在有砟轨道上运行时引起车辆和轨道振动的实例,分析中考虑了轮轨线性和非线性接触及不同列车速度对车辆和轨道结构振动的影响。计算结果表明交叉迭代算法具有程序编制简单、收敛速度快、用时少、精度高的优点;采用轮轨线性接触模型得到的车辆和轨道结构的动力响应比轮轨非线性接触模型得到的结果要大,其中位移、加速度最大值和振幅增大范围约在15 %以内,轮轨接触力最大值和振幅增大范围约在5 %以内。     

基于改进的EMD方法提取车辆-轨道垂向耦合系统动态特性

提出利用一种改进的经验模态分解（EMD）方法提取车辆-轨道耦合系统的动力学特性。该方法以改进的极值域均值代替极值点包络线的均值来提高局部均值的求解精度,以边界波形匹配预测法来抑制端点效应。基于车辆－轨道耦合动力学理论,建立客车-弹性支承块无砟轨道垂向耦合动力学模型,计算车辆-轨道耦合系统在波浪形磨损和轨道不平顺组合激励模型下的振动响应。运用改进的EMD方法对系统的振动响应进行经验模态分解,并且对轮轨力、转向架和车体加速度的本征函数进行分析和比较。研究结果表明：改进的EMD方法自适应地将振动响应分解成本征函数,能有效地提取车辆-轨道耦合系统的动力学特性。     

基于冲击重构技术的车辆—轨道耦合系统垂向振动分析

为能通过分析垂向振动信号准确捕获列车与轨道的故障特征信息,提出基于冲击重构技术的垂向振动分析方法。该方法以基于多传感器网络的列车振动数据采集为基础,通过对采集的多传感器信息进行信号预处理、信息对齐平移、能量增强叠加等信息融合处理以完成对振动数据中冲击成分信息空域重构,再经时频分析处理提取各种故障特征信息,并用实例证明该方法能有效识别出列车与轨道引起的各种周期、非周期冲击。     

中低速磁浮轨道结构垂向振动传递特性研究

为研究中低速磁浮轨道结构的垂向振动传递特性,基于室内试验与振动理论,建立轨道结构频域分析模型,以结构垂向导纳,位移与力的垂向传递率为评价指标分析了结构的垂向振动传递特性。探究了扣件垂向刚度、扣件垂向阻尼、轨枕支承间距、F轨顶面厚度以及轨枕翼缘厚度对于结构垂向振动传递特性的影响。研究表明：中低速磁浮轨道结构的垂向振动可分为低频整体振动与高频局部振动两个阶段,且结构整体振动时力与位移的垂向传递率较高;F轨沿结构纵向上的垂向位移导纳变化并非随着与激励点距离的增大而减小,而是与结构在不同频率下的振型有关;扣件垂向阻尼增大对力与位移的垂向传递均有抑制作用,其中对于力的垂向传递抑制更加明显;扣件垂向刚度、轨枕支承间距、F轨顶面厚度以及轨枕翼缘厚度都会使结构局部刚度发生改变,从而影响力与位移垂向传递的峰值与频率。     

基于希尔伯特-黄变换提取车辆轨道耦合系统时频特性

为研究各种激扰对车辆轨道耦合系统动力学响应时频特性影响,将基于改进经验模态分解（EMD）的希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang Transform）应用于车辆轨道耦合动力学振动信号分析中。运用改进EMD方法提取耦合系统振动响应的固有模态函数（IMF）,并对其进行希尔伯特-黄变换,得到振动响应的希尔伯特时频幅值谱和边缘谱。分析表明：希尔伯特-黄变换较傅里叶变换的分辨率与精度高,能有效捕捉车轮缺陷及轨道谐波不平顺激励下车辆轨道耦合系统的调制信号;车体垂向振动加速度随轨道不平顺波长、幅值非线性变化,振动信号的轮周激励成分为调制信号,且随轨道不平顺幅值增大而减小,随轨道不平顺波长增大非线性变化。     

基于格林函数法的封闭声腔的结构-声耦合分析

以封闭声腔为模型，在考虑流固耦合作用的基础上，结合流体格林函数和Helmholtz方程及其边界条件，导出了各阶声压模态对应的声压振幅响应公式；结合结构格林函数和板的振动方程及其边界条件，导出了各阶板模态对应的速度振幅响应公式。这两个公式物理意义明确，易于转化为矩阵形式直接进行数值仿真，可应用于任意几何形状的封闭声腔，为进一步研究封闭声腔的结构-声耦合问题提供了必要的理论基础。数值仿真部分首先对声压振幅和速度振幅的积分形式作了矩阵化。然后以长方体封闭声腔为模型，结合有限元法计算声压模态和弹性板的振动模态，合成耦合系数，并最终合成弹性板与声腔耦合作用下的的声压响应和弹性板的速度响应；将数值仿真结果与解析结果以及前人的试验结果进行比较，验证了本文在理论分析和数值仿真方面的正确性。最后将该方法应用于一个非规则封闭声腔模型，得到了结构-声耦合作用下的系统响应。     

扣件胶垫刚度的幅频变对轮轨耦合系统随机频响特征的影响

以热塑性聚氨酯弹性体（TPEE）的扣件胶垫为研究对象,首先利用万能试验机测得其荷载-位移非线性曲线。然后,借助非线性静力分析的有限元模型,计算车辆静载与弹条扣压共同作用下该类扣件胶垫的位移幅值及其对应的静刚度。最后,运用车辆-轨道垂向耦合随机振动分析模型,探讨聚氨酯胶垫的常量刚度、频变刚度与幅频变刚度对车辆-轨道耦合系统随机振动频响特征的影响规律。研究结果表明：聚氨酯胶垫的静刚度具有显著的非线性特征,而且在20 kN扣压力与80 kN静轮载共同作用下聚氨酯胶垫的静刚度在19.1 kN/mm~37.9 kN/mm范围内变化,其均值与规范中假设的线性常量静刚度26.7 kN/mm相近;另外,与聚氨酯胶垫的幅频变刚度相比,它的常量刚度会严重低估轮轨系统65 Hz~150 Hz的频域响应。因此,如果车辆-轨道系统中有刚度非线性较强的高分子材料,就必须综合考虑这些材料刚度的幅变与频变特征,否则将难以准确预测轮轨系统及其周边环境振动的频域响应。     

扣件胶垫刚度频变的车/轨耦合系统随机振动虚拟辛分析

运用无穷周期子结构的辛数学方法与虚拟激励法,建立了车辆-轨道垂向耦合随机振动虚拟辛分析模型,并用以探讨扣件胶垫频变刚度对轮轨耦合系统随机振动的影响。研究结果表明：扣件胶垫频变刚度对车体垂向随机振动的影响可忽略不计,但却会改变转向架中高频的垂向随机振动幅值,同时还会显著提高轮对与钢轨的垂向随机振动最大功率峰与其第一主频;轮对垂向随机振动最大功率峰与其第一主频随着扣件胶垫刚度频变幅度或低频初始刚度的增大分别呈波浪式渐增与阶梯式上升的变化趋势;在铁路常用扣件胶垫刚度的变化范围内,轮对垂向随机振动最高功率峰的最大增幅是17.5倍,并且其第一主频的最大增量亦可高达40 Hz。因此,为精确预测车辆转向架、车轮及轮下系统的随机振动频域响应,需综合考虑扣件胶垫的低频初始刚度及其刚度频变幅度。     

扣件胶垫刚度频变的车辆-轨道耦合时变随机振动扩展辛分析

运用扩展辛数学方法、周期拟稳态求解法与随机振动虚拟激励法,建立了车辆-轨道垂向耦合时变系统的随机振动扩展辛分析模型,高效计算了扣件胶垫频变刚度影响下车辆-轨道耦合时变系统的随机振动频域特征,并与车辆-轨道耦合时不变系统的随机振动频域特征进行了对比。研究发现：1）对于低速地铁线路而言,在现有扣件胶垫低频初始刚度及其刚度频变幅度的变化范围内,时变与时不变系统中车轮及轮下结构垂向随机振动加速度频谱的差异很小,因此地铁线路上应用定点激励模型可满足工程要求;2）在高铁线路上,扣件胶垫刚度的频变幅度越大,车轮及轮下结构垂向随机振动加速度的最高功率峰及其对应主频在时变与时不变系统内的差距也越大,因此在扣件胶垫刚度频变幅度较大的高速线路上采用动点激励模型才能保证较高的运算精度。     

基于模态叠加法和直接刚度法的列车-轨道-桥梁耦合系统高效动力分析混合算法

为提高列车-轨道-桥梁耦合系统（Train-Track-Bridge Coupled System,TTBS）动力分析的计算效率,该文基于作者之前提出的TTBS动力分析混合模型,结合模态叠加法和直接刚度法,提出了一种改进的混合方法（Improved Hybrid Method,IHM）。该方法中,列车动力方程通过多刚体动力学方法建立;轨道结构动力方程通过直接刚度法建立以准确求解其高频局部振动响应,桥梁结构动力方程通过模态叠加法建立以降低其自由度数目。列车和轨道结构通过轮轨线性Hertzian接触关系耦合为列车-轨道耦合时变子系统,轨道与桥梁间通过轨-桥相互作用力的平衡迭代实现耦合。首先以朔黄重载铁路32 m简支梁桥现场试验数据验证了该文方法的正确性。然后,以CRH2型高速动车组通过万宁系杆拱桥为例,探究了桥梁振型数量对动力响应指标计算精度的影响规律,最后,对比三种不同的列车-轨道-桥梁耦合系统动力分析方法的计算结果及耗时,结果表明：同样的计算精度下,该文方法具有更高的计算效率。     

基于波浪-多孔介质海床-结构物耦合模型的单桩基础波浪力分析

为了研究波浪作用下多孔介质海床特性和结构物埋深及施工下放速度等因素对结构物所受波浪力的影响,采用修正RANS方程和Forchheimer饱和阻力模型控制流体流动,流体体积法（VOF）追踪自由液面,并采用κ-ε闭合方程进行求解,建立波浪-多孔介质海床-结构物相互作用研究的三维耦合数值分析模型。首先,进行数值模型的验证分析,包含多孔介质海床对波浪传播的衰减效应,波浪作用下结构物周围湍流流动以及海床多孔特性条件下WAVE FORCES结构物所受波浪力。然后,进行结构物所受水平波浪力影响因素的参数分析,主要包含波浪条件,多孔介质海床特性及结构物特性三个方面。结果表明：将多孔介质海床简化为刚性不可渗固体而忽视海床多孔特性,会低估结构物所受的波浪力数值;大波高长周期波浪作用下,深水结构物所受波浪力较大;海床孔隙率、颗粒直径、海床厚度显著影响结构物所受波浪力;同时,结构物直径、截面形式、埋置深度及其施工下放速度v等结构物特性对波浪力的影响同样显著。因此,工程实践中,应同时考虑波浪条件、多孔海床特性和结构物埋置深度及动态运动过程,合理计算结构物所受波浪力数值,以指导结构设计和施工。     

受环向线载和线偶作用的圆柱壳问题的Green函数解法

本文用Green函数法导出了圆柱壳受轴对称线载和线偶作用的精确解,所得结果适用于各种边界条件,本文的方法不必求方程的特解,而是在齐次解列的基础上直接得到全解,因此本文的方法在理论和实际问题中有一定的实用价值。     

热弹性动力学耦合问题的插值型移动最小二乘无网格法研究

该文基于插值型移动最小二乘法,将无网格局部Petrov-Galerkin（MLPG）法用于二维耦合热弹性动力学问题的求解。修正的Fourier热传导方程和弹性动力控制方程通过加权余量法来离散,Heaviside分段函数作为局部弱形式的权函数,从而得到描述热耦合问题的二阶常微分方程组。然后利用微分代数方法,温度和位移作为辅助变量,将上述二阶常微分方程组转换成常微分代数系统,采用Newmark逐步积分法进行求解。该方法无需Laplace变换可直接得到温度场和位移场数值结果,同时插值型移动最小二乘法构造的形函数由于满足Kroneckerdelta特性,因此能直接施加本质边界条件。最后通过两个数值算例来验证该方法的有效性。     

基于改进高斯精细积分法的车桥耦合振动分析框架

假定任一时刻的位移可以根据其相邻时间步上的运动状态由Hermite插值函数确定,采用3节点高斯积分方法展开精细积分法中状态方程的Duhamel项,构造了一种改进的高斯精细积分算法用于求解结构非线性问题,在此基础上,提出了适用于车桥耦合振动研究的高效求解分析框架。车桥耦合系统由车辆、桥梁有限元子系统组成,其中车辆子系统引入部件刚体假定,而桥梁子系统借助于振型叠加法缩减自由度数目,两个子系统间的相互作用通过非线性的虚拟力表达。以一节4轴客车匀速通过32m简支梁为研究对象,分别采用所提出的分析框架、传统Newmark-β法进行动力分析。结果表明：相对于Newmark-β法,高斯精细积分方法既能避免求解线性方程组,又可显著提高计算收敛的积分步长,分析框架显示出良好的实用效果。     

基于车辆响应的无砟轨道路基不均匀沉降评价指标理论研究

路基不均匀沉降的合理评价对于保障高速铁路运营安全和指导线路养护维修至关重要。传统路基沉降评价多基于沉降幅值单一指标,缺乏对车辆运营速度、路基沉降波长的综合考虑。该文基于建立的精细化多车-无砟轨道-路基耦合动力学模型,分析了路基不均匀沉降下的车辆动力学响应特征以及运营速度、沉降波长及幅值对车辆响应的影响规律,在此基础上提出了沉降时变率指标用于路基不均匀沉降评价。结果表明:沉降时变率能融合车辆运营速度、沉降波长、波幅三者对高速列车动力学响应的共同影响。沉降二阶时变率和轮轨垂向力、轮重减载率安全性指标呈显著的线性映射关系;沉降一阶时变率和车体加速度等舒适性指标呈较为显著的线性映射关系;并提出了轮重减载率、车体加速度与沉降时变率的拟合公式。研究成果可为高铁线路设计和养护维修提供参考。     

基于有限质点法的含间隙铰平面机构动力分析

间隙的存在使得铰节点的轴承和轴颈易发生碰撞,从而使带间隙机构的动力响应与理想机构不同。基于有限质点法,对含间隙铰的平面机构开展动力分析。首先给出有限质点法的质点运动控制方程和平面梁单元的内力计算公式。然后引入Lankarani-Nikravesh模型和修正库仑摩擦模型,来计算间隙铰中轴承和轴颈碰撞过程中的接触力和摩擦力。对平面四杆机构和曲柄滑块机构开展了动力分析,验证了该文方法的正确性和有效性。分析结果表明：间隙铰对机构运动的位移和速度影响不大,但使加速度有较大振荡;相比于理想铰,间隙铰的接触力峰值也有较大的增加;相比于刚性机构,柔性机构中间隙铰导致的动力响应要小;而相比于单个间隙铰,多个间隙铰将增大机构的动力效应。