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原文传递 CRTSⅠ型双块式无砟轨道振动频域与波导特性研究

论文题名：	CRTSⅠ型双块式无砟轨道振动频域与波导特性研究
关键词：	无砟轨道;波导特性;频域性能;格林函数;有限元
摘要：	CRTSⅠ型双块式无砟轨道在我国高速铁路中得到广泛应用，但因铺设和运营时间较短，目前对其振动性能和变形特点的研究还不够完善。为进一步优化双块式轨道结构设计、提升相关的减振降噪技术和结构伤损探测识别技术，有必要对双块式轨道振动的频域性能和波导特性进行系统地研究。本文首先运用格林函数法对双块式轨道的频域性能进行了系统研究，然后运用波导有限元法对双块式轨道的波导特性进行了较为系统地研究。　　1.双块式轨道振动频域特性研究　　根据双块式轨道结构特点，运用格林函数法和叠加原理，建立了双块式轨道垂向振动频域分析模型，开发了相应计算分析程序，研究了双块式轨道频域响应特性及其受扣件刚度、道床板厚度和路基支承刚度的影响。结果表明，钢轨速度导纳存在三个明显的峰值，分别由道床板共振(35 Hz)、钢轨共振(200 Hz)和铰铰共振(1 kHz)所致。钢轨振动衰减率由约8 dB/m变化至小于1 dB/m。参考轨面不平顺幅值为1×10-6m时，钢轨振动速度级在铰-铰共振频率最大达138 dB，道床板振动速度级在钢轨和车轮耦合共振频率最大达126 dB。在35 Hz以下，道床板速度导纳受道床板支承刚度控制，道床板振动衰减率随频率增大而增大，最高达0.001 dB/m。道床板共振和轮轨耦合共振对道床板位移影响最大。扣件刚度越大，钢轨高振动衰减率所在的频率范围越宽。增大道床板参振质量不能衰减道床板中高频振动。　　2.双块式轨道波导有限元法及程序开发　　建立了双块式轨道波导有限元模型，推导了道床板波导板单元、钢轨波导八节点实体单元、弹簧阻尼器单元的数学表达式，以及板单元和实体单元关于自由波响应和受迫响应的求解过程，开发了基于波导有限元法的波导结构波导特性计算分析程序。分析了波导单元类型的适应性，认为在建模中应优先选用八节点实体单元模拟双块式轨道结构。以道床板为例，通过与基尔霍夫薄板频域解析模型进行对比，验证了计算分析程序的正确性。　　3.钢轨波导特性研究（波导特性主要指导波的形成原因、截止频率、传递速度、衰减特性、消失或转化频率、影响因素等）　　对包括频散特性、相速度和群速度、衰减特性在内的钢轨波导特性进行了分析，研究了钢轨横截面速度导纳的分布特点。通过研究，首次提出在6 kHz频率范围内，钢轨共有八种导波模态，即A类横向弯曲波、B类扭转波、C类垂向弯曲波、D类横向弯曲波、E类纵波/横向弯曲波、F类横向弯曲波/纵波、G类垂向弯曲波/纵波和H类垂向弯曲波。始发于低频的A类横向弯曲波、B类扭转波、C类垂向弯曲波和E类纵波在全频段范围内传递，致使钢轨整体产生不同种类的模态。扣件支承可使钢轨中的所有导波辐射钢轨噪声。在截止频率位置，钢轨导波衰减率开始剧烈减小，随频率增大，钢轨导波衰减率再次增大。将波导有限元模型与钢轨铁木辛柯梁模型进行了对比，认为铁木辛柯梁模型不能反映高阶弯曲波和导波波型交换现象，难以适于钢轨高频波动特性的分析，波导有限元模型因包含了钢轨横截面变形特征而突显优势。　　4.道床板波导特性研究　　对道床板波导特性和横截面速度导纳分布规律进行了分析，研究了单层道床板和结合式道床板波导特性的变化特点，以及层间连接破坏对结合式道床板波导特性的影响。通过研究，首次提出单层道床板1 kHz以内、结合式道床板500 Hz以内均存在十种导波模态。在1kHz频率范围内，单层道床板的十种导波模态包括A类零阶垂向弯曲波、B类扭转波（一阶垂向弯曲波）、C类二阶垂向弯曲波、D类三阶垂向弯曲波、E类横向弯曲波、F类零阶纵波和二阶纵波/剪切波、G类一阶纵波/剪切波、H类四阶垂向弯曲波、Ⅰ类二阶纵波/剪切波和零阶纵波、J类二阶纵波/剪切波。结合式道床板存在同单层道床板相同的零阶、一阶、二阶、三阶垂向弯曲波、零阶纵波和二阶纵波/剪切波、一阶纵波/剪切波。结合式道床板较单层道床板多了两种导波模态，即二阶纵波/剪切波和零阶纵波、二阶纵波/剪切波。道床板横截面速度导纳的分布主要受垂向弯曲波的影响，与道床板中的纵波和剪切波没有明显关系。道床板高阶导波的衰减率比四种主要导波（A类零阶垂向弯曲波、B类扭转波（一阶垂向弯曲波）、E类横向弯曲波和F类零阶纵波和二阶纵波/剪切波）的衰减率高。当道床板与支承层间存在层间破坏时，零阶垂向弯曲波、一阶纵波/剪切波、二阶垂向弯曲波、扭转波（一阶垂向弯曲波）、零阶纵波同于结合式道床板，但高阶导波差异较大。
作者：	代丰
专业：	道路与铁道工程
导师：	朱颖
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文