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原文传递基于移动单元法的高速铁路车辆-无砟轨道耦合振动研究

论文题名：	基于移动单元法的高速铁路车辆-无砟轨道耦合振动研究
关键词：	无砟轨道;高速铁路;列车运行;耦合振动;移动单元法
摘要：	近年来，随着我国高速铁路列车运行速度的大幅提升，高速铁路轨道系统的平稳性、安全性要求愈发严苛。基于此，无砟轨道以其高平稳性、日常维护工作量小等突出优点而受到广泛关注和大量工程应用。　　目前，有限单元法仍是分析车辆-无砟轨道振动问题主流的数值计算方法。但随着列车速度的不断提升，采用有限单元法不可避免会造成模型规模急剧变大的问题，计算效率大幅降低。针对以上问题，基于移动单元法（MEM）研究成果，将MEM应用到无砟轨道动力学研究。为进一步提高模型的精度，考虑了轨道垫块离散支撑、预制轨道板不连续性的影响。编制了车辆-无砟轨道耦合振动分析MATLAB计算程序，研究了不同行车速度及轨道不平顺条件下系统的动力响应。主要研究内容及成果如下：　　（1）在已有无砟轨道模型的研究基础上，依据Euler梁原理，推导钢轨、轨道板和混凝土基础三层梁结构的动力方程。基于MEM原理，推导了无砟轨道的质量、刚度和阻尼矩阵，通过循环计算方法考虑轨道垫块离散支撑和轨道板不连续性的影响。结合多体车辆模型和Hertz非线性轮轨接触模型，建立了高速铁路车辆-无砟轨道耦合振动分析计算模型，并编制了MATLAB程序。　　（2）验证了计算模型和计算程序的可靠性，并对比了MEM模型和FEM模型的计算所需时间，结果表明MEM模型计算效率更快。结合动力学特性评价标准对350km/h车速和轨道不平顺条件下的系统稳态动力响应进行分析，计算结果表明系统模型安全可靠，且车体加速度约在±0.60m/s2之间波动，最大值为0.632m/s2，小于舒适标准1.3m/s2，行车平稳性和舒适度较高。通过模拟计算，研究了行车速度对系统各结构动力响应的影响。主要结论如下：各结构的动力响应均随行车速度增加而增加，其中钢轨动力响应最为显著，最大竖向位移达到1.587mm，最大竖向加速度达到417.899m/s2，而轨道板和混凝土基础的动力响应相比钢轨逐级减小。　　（3）研究了正弦函数和随机过程两种轨道不平顺对动力响应的影响。主要结论如下：两种轨道不平顺激励下，相同点为各结构动力响应均表现出了随不平顺振幅增大而增大，随波长增大振动趋向平稳，随车速增大而增大，受较短波长不平顺激励更为显著的特点，且两种情况的轮轨接触力都随着不平顺波长减小而增大；不同点为，正弦函数不平顺下的动力响应在输出稳定后呈现出稳态的简谐振动特性，而随机过程不平顺下的动力响应呈现出较强的随机特性。　　（4）研究了轨道板不连续性对车辆-无砟轨道耦合系统的影响。主要结论如下：轨道板不连续性直接影响轨道板层的动力响应，接缝处刚度不连续引起的板体错动使得轨道板结构振动显著加剧；轨道板不连续性间接影响整个车辆-无砟轨道耦合系统，激励耦合振动；但轨道板的不连续性对车体竖向加速度的影响很小，几乎不影响行车平稳性。
作者：	闫玉康
专业：	结构工程
导师：	雷拓
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022