重载列车引起的大跨度斜拉桥拉索振动研究

采用子结构法研究了重载列车引起的大跨度铁路斜拉桥拉索非线性振动问题。首先基于线性桥梁空间有限元模型,采用车-桥耦合动力学理论计算得到斜拉索锚固点动力响应;然后将该动力响应作为斜拉索端部激励,采用自编的基于CR列式法(Co-rotational Formulation)的拉索非线性动力有限元程序,计算斜拉索非线性动力响应。以荆岳铁路洞庭湖三塔斜拉桥为例,开展了车致斜拉桥拉索振动分析,结果表明:在设计时速范围内,重载列车作用下,斜拉桥索端激励与拉索固有频率两者不存在明显的匹配关系,车致拉索振动响应为一个准静态过程;通过进一步对比不同计算方案,即车-桥耦合振动、移动轴重瞬态分析与移动轴重影响线加载对拉索响应的影响,发现对于大跨度铁路斜拉桥而言,由于车-桥耦合振动效应不显著,采用移动轴重影响线加载方法得到的拉索应力结果具有足够精度。     

数传天线机电耦合建模及微振动特性仿真与试验研究EI北大核心CSCD

星载数传天线是航天器低频段微振动的主要扰振源,严重影响了遥感卫星成像质量。研究了一种以步进电机为驱动源的数传天线的微振动特性。通过线性化方法简化了步进电机的动力学方程,根据固定界面模态综合法建立了在柔性边界上步进电机驱动柔性负载的动力学模型,并给出了数传天线微振动的解析表达式。通过仿真和试验验证了上述微振动模型,分析了微振动的成因和影响因素。结果表明:试验和仿真得到的微振动频域峰值处的频率一致,幅值误差不超过9.41%&并且合理选择步进电机转速可有效降低数传天线的微振动。该模型可应用于在轨微振动预测、天线控制系统设计等领域。     

列车-高架桥式客站耦合系统振动响应分析EI北大核心CSCD

针对中国高速铁路"站桥合一"大型枢纽客站的车致振动问题,以新长沙南站为例,利用自主开发的计算分析软件TRBF-DYNA建立了列车-轨道-客站耦合系统空间整体动力学分析模型,研究车致客站振动响应的分布规律、传播和衰减规律。车辆采用31自由度车辆模型,采用有限元方法建立轨道-客站三维整体动力学模型,轮轨之间采用空间非线性接触模型。开展了单线和双线行车工况下的列车-轨道-客站耦合振动分析。结果表明:受列车竖向动力荷载控制,客站以竖向振动为主;无砟轨道结构可以过滤轮轨高频激励,降低列车对轨道层主梁的冲击作用;桥式结构体系可以较好地减小轨道层振动对上部结构振动的影响;双线行车引起的客站振动响应高于单线行车,但均能满足舒适性要求;车辆行车安全性指标符合规范要求,表明该客站结构设计具有较高的安全储备。     

列车动力荷载作用下大跨度斜拉桥局部振动响应研究

为研究列车动力荷载引起的大跨度斜拉桥主梁和桥面板局部动力响应,基于车-桥耦合动力学理论建立了列车-轨道-斜拉桥空间耦合动力学模型。采用固定界面模态综合法和等效正交异性板法建立大跨度斜拉桥精细化三维有限元模型,车辆简化为具有二系悬挂的31自由度弹簧-质量模型,轮轨关系采用可分离的三维轮轨滚动接触模型。以主跨为1 092 m的沪通长江大桥为例,研究了轨道不平顺激励条件下高速列车行驶引起的桥面板和主桁架梁的动力响应特征及分布规律。研究结果表明:固定界面模态综合法既可以有效减少模型自由度数目,又可以反映桥梁局部动力响应;等效正交异性板法虽能较好地反映桥面板的局部振动,但由于没有考虑等效前后主梁整体刚度的一致性,故所计算的主梁振动位移偏差较大;由于桥面板局部竖向刚度较小,桥梁行车线正下方的桥面板竖向加速度远大于主梁桁架节点竖向加速度,建议我国相关铁路桥梁规范在评估大跨度板桁斜拉桥振动加速度时,考虑桥面板局部振动的影响;列车动力荷载作用下主梁桁架杆件应力冲击系数较小,动力效应不显著。     

地震作用下铁路斜拉桥动力响应及行车安全性研究

为研究高速铁路斜拉桥在地震作用下的车-桥耦合动力响应及列车走行性能,以新建杭长客专铁路长沙段（112 m+80 m+32 m）槽型截面独塔斜拉桥为研究对象,利用车-线-桥耦合动力学分析软件TRBF-DYNA建立了考虑地震作用的列车-轨道-桥梁耦合系统空间动力分析模型。采用等效荷载法计算轨道-桥梁子系统的地震响应,通过考虑拟静力位移分量,将钢轨相对地震响应转化为绝对坐标系下动力响应,最终通过空间轮轨滚动接触模型将地震作用传递至车辆子系统。对比分析了不同列车运行速度和不同地震强度条件下桥梁、列车动力响应的变化规律,评估了列车行车安全性能。结果表明：地震对列车运行安全性有显著影响,根据我国规范可判断列车在7度、8度、9度多遇地震下的安全行车速度阈值分别为200 km/h、180 km/h和140 km/h;根据轮轨接触评判准则,在80 km/h~240 km/h的行车速度范围内,在7度、8度和9度多遇地震下轮轨相对位移仍在安全范围内。     

拉索局部振动对斜拉桥地震响应的影响研究

拉索作为大跨度斜拉桥的主要承重构件,横向刚度较小,在地震荷载作用下容易发生索-梁和索-塔耦合振动,对斜拉桥的能量分布和阻尼特性产生较大影响,在斜拉桥地震响应计算中有必要考虑拉索的局部振动影响。根据子结构原理和自由度凝聚的方法,在斜拉桥动力特性和地震响应分析中可以考虑拉索的局部振动,并编制了三维有限元程序,对拉索局部振动的影响进行了研究。结果表明,考虑拉索局部振动时,斜拉桥纵向振型的参与系数有不同程度的减小,主梁和桥塔的加速度、位移、弯矩和轴力增大非常显著,短索的纵向位移减小,而长索的纵向位移增大,拉索脉动张力显著增大,拉索位移和张力时程出现拉索局部振动干扰的现象。     

移动荷载下有限深度Winkler地基上梁的动力响应研究EI北大核心CSCD

基于考虑有限深度土体运动的Winkler地基梁理论,建立移动荷载作用下弹性地基上有限长梁的横向运动方程。利用模态叠加法求得移动荷载作用下有限长梁动力响应的解析解,进而以移动荷载离开时梁的响应为初值,采用分离变量法求得有限长梁自由振动的一阶近似解;通过数值计算和参数分析,揭示了移动荷载作用下有限深度Winkler地基上简支边界梁的动力学特性,分析地基深度、地基黏滞阻尼系数和荷载移动速度等对有限长梁受迫振动阶段和自由振动阶段动力响应的影响,全面揭示有限深度土体运动对临界速度的作用效应。结果表明:地基深度显著降低了临界速度,且弹性地基黏滞阻尼明显延长了自由振动衰减时间;荷载移动速度加剧了有限深度弹性地基与其支承梁的相互作用效应,系统振动的幅值和响应周期均发生显著变化。     

内激励作用下行星传动系统振动响应研究EI北大核心CSCD

基于齿轮系统动力学推导出行星齿轮传动系统的平移-扭转耦合非线性振动微分方程。采用特征值问题求解其固有频率及振型,并进行归类和描述。针对行星齿轮传动系统中内激励频率与转速成正比这一特性,提出一种利用正弦激振扫频模拟其内激励,并通过求解传动系统振动微分方程得到其响应的方法。与传统方法相比,该方法可将系统中复杂的激励分解为若干单一激励,从而量化评价各激励对系统振动响应的影响程度,使各激励与响应形成具体映射关系。研究发现内啮合激励对低阶(1~5阶)与高阶固有频率(16~18阶)影响较小,外啮合激励在低阶固有频率随阶数增加影响递增,并对太阳轮纯扭转振型影响较大,而在中阶固有频率(6~15阶)内外啮合均对行星轮纯扭转振型影响显著,为行星齿轮传动系统固有频率及振型的优化、降振减噪和减小故障发生率提供依据。     

撞击荷载下钢筋混凝土柱动力响应的数值研究EI北大核心CSCD

为了研究撞击荷载下钢筋混凝土柱的动力响应,该文基于有限元软件LS-DYNA建立了钢筋混凝土构件碰撞模拟分析的数值模型。对经典钢筋混凝土梁落锤试验进行数值模拟,分析表明该数值模型能够较好的模拟钢筋混凝土构件碰撞过程中的撞击力和变形发展。基于该模型该文研究了不同因素对刚体碰撞钢筋混凝土柱动力变形和撞击力的影响,包括撞击体速度、质量和形状,钢筋混凝土柱纵向配筋率、配箍率和混凝土轴心抗压强度以及材料应变率。分析表明钢筋混凝土柱在撞击作用下的破坏模式主要包括:局部损伤型、整体破坏型和局部破坏型。影响撞击力曲线变化的因素可分为三种:撞击体自身的因素,影响柱体刚度的因素和影响柱体材料强度的因素。各种因素对撞击力峰值、撞击力平台值和撞击持时分别具有不同的影响规律。这些规律将为建立建筑结构倒塌分析的简化撞击力模型提供参考。     

斜拉桥在地震与列车荷载同时作用下的动力响应分析

为探讨在地震荷载作用下斜拉桥-列车系统的动力响应行为,运用桥梁结构动力学与车辆动力学的理论方法,通过车-桥耦合系统在地震动和轨道不平顺激励下的振动分析模型及相应的仿真计算程序,以跨越长江的武汉天兴洲公铁两用斜拉桥方案为研究对象,对在典型地震波激励下列车过桥的全过程进行了模拟。结果表明,地震对斜拉桥上运行列车的安全性有重要影响。     

在役大跨径曲弦桁梁桥车桥耦合振动分析EI北大核心CSCD

为研究在役曲弦桁梁桥的动力性能和车桥振动响应,基于考虑跳车脱空时段的车桥耦合振动分析方法,进行在役曲弦桁梁桥车桥耦合振动分析。以122 m跨径彩虹桥为计算示例,建立桥梁有限元模型,分析桥梁动力特性,并计算空间车队过桥动力响应,探讨车速、车辆数量、车队分布及路面不平度等因素对在役曲弦桁梁桥动力响应的影响。结果表明:桥面系竖向刚度相对较弱,桥面局部振动易被激发;桥面竖向振动及各动力响应随着汽车数量、布载车道数量增加而显著增大;桥梁下弦跨中位移冲击系数超过规范设计值,桥面振动程度较大;车辆中、后轮易发生跳车,路面等级越高,发生脱空次数越多,在路面等级良好状态下汽车也会出现跳车现象。     

风和车流作用下悬索桥纵向减振及阻尼器参数优化EI北大核心CSCD

为了对运营阶段风和车流作用下大跨公路悬索桥进行纵向减振并对阻尼器进行参数优化,通过在已有的风‑车‑桥耦合振动分析系统中引入液体黏滞阻尼器单元,建立了随机风‑车流‑悬索桥分析系统。以一座典型山区大跨悬索桥为工程背景,采用建立的分析系统对比分析了布置阻尼器前后加劲梁在随机风和车流作用下纵向振动的时频特性。在此基础上,进行了阻尼器的参数敏感性分析,研究了阻尼器参数的不同取值对加劲梁位移和塔底内力的影响规律。以优化全桥结构受力、降低纵向振动响应为目标,采用响应面法对阻尼器的参数进行了优化分析。研究表明:对于风、车流荷载单独以及联合作用下的加劲梁纵向振动,阻尼器均能有效降低纵向振动的幅值;但能否降低纵向振动的频率取决于纵向振动中主频的成分。设置液体黏滞阻尼器后,风、车流荷载单独或者联合作用下,加劲梁纵向位移极值和纵向累积位移均随着阻尼系数的增大和速度指数的减小呈减小趋势。此外,不同荷载工况下液体黏滞阻尼器对塔底纵向弯矩的影响规律不同:在风荷载单独作用下,阻尼器会增加塔底纵向弯矩。优化后的液体黏滞阻尼器参数建议取值区间为:阻尼系数宜取500-700 kN/(m/s)^(α),速度指数宜取0.3-0.5。     

列车荷载作用下X形桩-网复合地基动力响应研究EI北大核心CSCD

基于大比例X形桩‑网复合地基模型,开展了高速铁路列车荷载下桩‑网复合地基的动力特性试验研究,分析了不同车速情况下地基土的振动速度、动应力和动位移的分布特性,探讨了循环荷载下轨道路堤地基系统的振动响应和路堤内部动应力的分布特征和衰减规律。采用PLAXIS 3D建立数值分析模型,研究了不同列车轴重及振动频率对路堤振动速度响应的影响,对比了无筋路堤与双层土工格栅加筋路堤在动荷载作用下桩顶与桩间土竖向应力的分布规律。结果表明:轨道板表面处竖向位移随时间呈“M”形周期性变化;竖向速度响应在路堤表层处最大,沿地基横向及深度方向逐渐衰减,在路堤中衰减了近90%。随着加载频率及加载幅值的增大,土体振动速度逐渐增大。动荷载对无筋路堤影响显著,土拱效应明显减弱,桩土应力比值随加载频率的提高逐渐减小。土工格栅加筋路堤张力膜效应能够减小动荷载对复合地基的影响。     

固定谐振荷载作用下曲线轨道动力响应特性研究EI北大核心CSCD

将曲线轨道视为周期性离散支撑结构,根据周期性结构的振动特性,通过引入移动荷载作用下曲线轨道梁的数学模态以及广义波数,得出曲线轨道梁频域响应的级数表达,进而求解固定谐振荷载作用下曲线轨道梁平面外弯扭耦合振动的响应特性。通过计算不同频率固定谐振荷载作用下曲线轨梁的动力响应,可以求得曲线轨梁垂向位移频响特性。对单层离散点支撑轨道模型进行计算分析可知:曲线轨道梁一阶自振频率受扣件支点垂向支撑刚度、垂向支撑阻尼系数、扣件支点间距变化影响较大,扣件支点垂向支撑刚度增加时轨梁一阶自振频率提高,垂向支撑阻尼系数增加时轨梁一阶自振频率略有减少,扣件支点间距减小时轨梁一阶自振频率提高;扣件支点间距对曲线轨梁频响特性具有显著的影响,跨中处一阶pinned-pinned共振峰幅值及支点处反共振峰幅值随支点间距的增加而变大;曲线半径对地铁轨道轨梁垂向位移频响特性几乎没有影响。     

波能转换装置耦合振动非线性水动力特性研究EI北大核心CSCD

针对一种新型波能转换装置,开展非线性水动力特性研究。在势流理论基础上,考虑装置不规则外形(不对称,且水线面面积不恒定)与位置变化等非线性因素对回复力的影响,并引入Morison模型分析流体黏性的附加惯性力效应与阻力效应,建立包含主要的线性与非线性水动力、从波能捕获到转换全过程的非线性动力学模型。利用计算流体动力学法搭建数值波浪水槽,开展波能转换装置响应的准确模拟,并将数值波浪水槽与所提出的非线性动力学模型的结果对比,进行非线性水动力的效应研究和系数辨识。结果表明:传统线性模型造成对波能转换性能的过高估计,非线性水动力模型显著提高了自由衰减振荡、波浪-装置耦合响应等过程的计算精度;Morison模型系数在不同工况中是变化的,幅值响应因子的计算在共振频率附近对Morison模型系数的敏感性最高。研究结果可为准确、快捷地衡量波能转换装置性能提供指导。     

大跨度四线铁路桥梁车桥耦合建模与振动分析

以某四线大桥为背景,由实测结构模态参数结合设计相关资料,建立了桥梁基准有限元模型。然后基于此模型,由轮轨法向刚性接触关系,采用模态叠加法建立了车-桥整体系统运动方程,并结合实桥通车实验和数值计算进行对比分析,验证了模型的正确性。最后,开展了多种工况下的车辆-桥梁耦合振动分析计算,对桥梁和车辆的动力响应以及列车运行安全性和平稳性进行了分析评价,得出了一些有工程意义的结论。     

基于参数不确定列车作用下桥梁振动响应的桥梁损伤识别研究

该文提出了当车辆某参数值不确定时基于桥梁在线振动响应的桥梁损伤识别方法。基于列车-桥梁耦合振动模型和响应灵敏度方法, 利用桥梁的在线响应进行损伤识别。通过计算损伤识别结果对随机车辆参数的灵敏度并由此得到损伤因子的数学期望及方差, 进一步得到各单元的损伤因子可能分布区间, 并进行了算例研究。结果表明, 当车辆参数的测量不确定度较小时, 基于桥梁在线振动响应的桥梁损伤识别灵敏度方法仍然是可行的;车体质量、一系竖向刚度和阻尼对识别结果影响较大, 而转向架和轮对质量、二系竖向刚度和阻尼对识别结果影响较小。     

Q460高强钢柱在近爆荷载作用下的动力响应研究EI北大核心CSCD

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立钢柱有限元模型,运用流固耦合计算方法,模拟Q460高强钢柱在爆炸荷载作用下的动力响应,在此基础上提出了分段等效三角波计算方法对结构/构件施加爆炸荷载,并对影响钢柱动力响应的主要因素进行数值分析。结果表明:分段等效三角波计算方法和流固耦合方法计算吻合较好,验证了分段等效三角波计算方法的可行性;爆炸冲击波速度快,荷载峰值大,持续时间短,对钢柱的破坏力极强;钢材强度等级越大,钢柱抵抗变形的能力越强;炸药位置越低,柱脚越容易发生剪切破坏;翼缘作为迎爆面更能抵抗爆炸冲击的作用;适当减小翼缘和腹板的宽厚比能增强钢柱抵抗动力荷载的能力。提出的分段等效三角波计算方法为研究抗爆提供进一步参考。     

基于测点优化与模态扩展的机械结构振动响应全场重构EI北大核心CSCD

提出一种基于测点优化与模态扩展的机械结构振动响应全场重构方法。使用D优化设计方法确定最优测点布置方案,根据模态扩展方法构造加速度响应扩展矩阵,从而实现由优化布置的有限测点的加速度响应重构机械结构全场加速度响应,并使用有限元分析软件读取重构的加速度响应,实现机械结构响应全场可视化。开展板结构数值仿真分析和振动响应重构试验,验证了当结构处于多模态共振或非共振状态下机械结构振动响应全场重构方法的有效性和鲁棒性。进一步,通过分析各阶加速度模态贡献量,精准选择主要振动模态分析机械结构的振动响应,实现了基于更少测点的振动响应全场重构。     

高地应力下砂岩隧道围岩爆破振动响应研究EI北大核心CSCD

高地应力对隧道围岩的爆破振动响应具有一定影响。本文通过波动微分方程和分离变量法结合高地应力作用下砂岩类材料参数的变化规律求得适用于高地应力下的爆破地震波传播解析解,并通过实例分析,给出了隧道围岩中质点振动速度、加速度、应变参数随地应力大小变化规律,并借助物理模型试验装置对隧道围岩爆破振动响应随地应力的变化规律进行模型试验研究,最后将试验结果与解析解进行对比。由解析解的计算结果表明,相同围岩质点速度、加速度和应变峰值均随着地应力的增大而逐渐减小,且径向的速度、加速度和应变在低地应力阶段的衰减速率要大于高地应力阶段,随地应力的增加呈现出类似于负指数下降的趋势。在模型试验中,相比于震源附近围岩的振动响应,远离震源处地应力的变化对围岩爆破振动响应影响增大。模型试验测得的结果与解析解计算的结果相吻合。研究成果对地下隧道爆破设计和振动安全预测具有重要参考价值。