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原文传递基于道床非线性特性的桥上有砟轨道系统动力学特性研究

论文题名：	基于道床非线性特性的桥上有砟轨道系统动力学特性研究
关键词：	桥上铁路;有砟轨道;动力特性;道床结构;非线性特性
摘要：	铁路有砟轨道具有弹性良好、价格低廉、维修方便、吸噪性能好等优点，是我国主要的轨道结构形式之一。随着我国高速铁路的蓬勃发展，列车在高速行驶过程中动力响应加剧，尤其在桥梁这种刚度较大的基础上更为显著，而人们对乘坐舒适度的要求也越来越高，这就需要我们深入研究桥上有砟轨道系统的动力学特性。本文首先通过建立道砟集料三轴试验离散元模型，研究了道砟集料的受力变形特性，分析得到碎石集料非线性本构关系。进一步结合有限元法建立了含非线性弹性道床的车辆-轨道-桥梁耦合模型，基于耦合模型分析了道床非线性弹性对其动力特性的影响规律，同时对不同线路条件下桥上有砟轨道的动力特性进行分析，并且对有砟轨道扣件刚度、减振型有砟轨道弹性垫板刚度及厚度对其动力特性的影响规律进行了研究。本文的主要研究内容及成果汇总如下: 　　(1)对道砟集料数值仿真模型开展静三轴试验和动三轴试验模拟，分别研究了不同围压、道砟级配、荷载频率和荷载幅值条件下道砟集料的力学特性，并基于此得到了道砟集料的非线性弹性模型拟合参数。　　利用已验证的道砟集料离散元数值仿真模型开展静三轴试验，研究了不同围压和级配对道砟集料的偏应力-轴应变影响规律;开展动三轴试验，研究了不同荷载频率和荷载幅值对道砟集料偏应力-轴应变、累积轴应变-荷载循环次数影响规律;并结合既有研究，将土体的非线性弹性本构模型推广到碎石材料，结合动三轴循环荷载试验结果对特级级配道砟集料的非线性模型Eθ=k1θk2参数进行了拟合，得到k1=31.1和k2=0.35。　　(2)结合道床的非线性弹性特点，建立车辆-有砟轨道-桥梁有限元耦合模型并进行了验证，同时对比分析了含非线性弹性道床模型与线性弹性道床模型耦合系统的动力特性。　　基于得到的道床非线性弹性模型，利用有限元软件ABAQUS用户子程序实现道床材料的非线性建模，同时建立了车辆-有砟轨道-桥梁耦合模型并进行了验证。利用验证后的耦合模型对比分析了非线性弹性道床模型与线性弹性道床模型在动力学特性方面的差异，可以看出通过设置非线性弹性材料属性在一定程度上反映出道床在受力过程中刚度的逐渐增大，得到的仿真计算结果更加准确，与实际情况更接近。　　(3)利用车辆-有砟轨道-桥梁有限元耦合模型分析了不同行车条件对系统的动力学特性影响规律，同时针对桥上有砟轨道不同扣件刚度对耦合系统的动力学特性影响规律进行了研究。　　利用已验证的车辆-有砟轨道-桥梁有限元模型分析了不同车速及不同轴重条件下耦合系统的动力学特性，可以看出随着车速的提高、轴重的增大，系统的动力响应也不断增大，必要时还需采取一定的减振措施来保证行车的安全性与平稳性。同时对桥上有砟轨道不同扣件刚度取值条件开展数值仿真计算，对比研究了桥上有砟轨道扣件刚度对耦合模型的动力学特性影响规律，根据计算结果综合考虑建议桥上有砟轨道扣件刚度取40～80kN/mm。　　(4)建立了桥上减振型有砟轨道动力学模型，分别分析了枕下垫板、砟下垫板刚度及厚度对耦合系统动力学特性的影响规律。　　建立了桥上弹性轨枕减振型有砟轨道模型及桥上道砟垫减振型有砟轨道模型，基于仿真模型分别探讨了枕下垫板、砟下垫板的减振性能，并分析了两种不同减振胶垫的刚度和厚度对各自减振型耦合模型的动力特性影响规律，研究表明胶垫的合理刚度取值应该是在保证行车安全、平稳的前提下，能充分发挥出减振垫板的减振性能，即不产生较大的轨道结构位移，又能充分减小道床、轨枕结构的受力。综合考虑建议枕下胶垫的面刚度宜取50MPa/m～100MPa/m，厚度宜取30mm，砟下胶垫面刚度宜取100MPa/m～200MPa/m，厚度宜取30mm。
作者：	赵云哲
专业：	铁路与铁道工程
导师：	高亮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文