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原文传递铁路车辆—道岔—桥梁、路基耦合振动系统理论研究与仿真分析

论文题名：	铁路车辆—道岔—桥梁、路基耦合振动系统理论研究与仿真分析
关键词：	高速铁路;弹性接触;轮轨多点接触;动力仿真;耦合振动系统
摘要：	高速铁路中桥梁所占比例大，高架桥、长大桥多，铁路道岔位于桥梁上的可能性就比普通铁路大得多。当列车通过桥梁上道岔区时，桥梁在列车动荷载作用下会出现较大变形和振动，影响轨道的平顺性，进而剧烈增加轮轨动力相互作用，导致行车安全性和平稳性降低。本文结合车桥耦合动力学和道岔动力学的研究现状，在总结吸收前人研究成果的基础上，以车桥耦合振动理论和道岔动力学理论为基础，以道岔区轮轨接触关系、岔桥作用关系为纽带，建立起车辆-道岔-桥梁耦合振动分析理论，并应用计算机数值仿真方法研究了车辆、道岔、桥梁动态相互作用规律。本文的主要研究工作如下：　　 1、建立了完整的车辆-道岔-桥梁耦合振动模型。车辆方面，针对二系悬挂四轴动车车辆建立了31自由度车辆模型；道岔方面，根据高速铁路道岔结构的特点，应用有限元方法建立道岔动力学模型：桥梁方面，根据Hamilton原理，应用有限元方法以空间梁单元建立了桥梁动力学模型。　　 2、详细论述了道岔区轮轨接触几何关系计算方法，在迹线法的基础上推导了基于弹性接触模型的轮轨多点接触计算方法，该方法考虑了轮轨之间的弹性接触变形，突破了“轮、轨均为刚性体”和“轮轨始终保持接触”的刚性接触假设。并且根据车轮和钢轨的国家规范，利用多段连续曲线来描述车轮及钢轨外形坐标信息，对准确求解轮轨接触几何关系奠定了基础。　　 3、基于弹性力学理论，在赫兹接触理论的基础上推导了轮轨非赫兹法向力的计算方法，并且通过对比表明：当轮轨接触点在相同曲率半径处时，赫兹接触理论和非赫兹接触理论的计算结果基本一致，而当轮轨接触点在不同曲率半径处时，非赫兹理论的计算结果更加真实。　　 4、论述了道岔与路基相互作用原理，将道岔区轨道与路基的相互作用离散成一系列点与点之间的相互作用，轨道与路基作用点之间由线性弹簧和阻尼联结。只要确定了轨道各部件的振动位移、振动速度，就可以求出道岔与路基相互作用力。　　 5、论述了岔桥相互作用原理，将道岔区轨道与桥梁的相互作用离散成一系列点与点之间的相互作用，轨道与桥梁作用点之间由线性弹簧和阻尼联结。只要确定了轨道各部件以及桥梁的振动位移、振动速度，就可以求出岔桥相互作用力。　　 6、介绍了本文中分析车辆-道岔-桥梁耦合振动系统的数值积分方法Newmark-β法，并且应用fortran编制了相应的计算程序求解车辆-道岔-桥梁动力响应。分别介绍了国内外有关车辆、道岔、桥梁的动力学性能评价标准。　　 7、运用车-岔-桥耦合动力仿真程序，通过一系列算例，对比分析了道岔铺设于桥梁或路基、连续梁桥跨度、连续梁桥跨数以及列车运行速度对车辆、道岔、桥梁的动力响应的影响，并总结出高速车辆、道岔、桥梁动态相互作用规律如下：　　 (1)列车直向通过路基上道岔区时，随着道床刚度的增加，脱轨系数、轮重减载率、最大轮轨力等指标略有升高，列车的横竖向加速度变化不大。侧向通过时，由于速度较低，不同的道床刚度对车辆、道岔的各项动力响应影响不大。　　 (2)当列车侧向通过道岔区时，由于速度较低，车辆与桥梁间的耦合振动效果并不明显。而当列车直向通过桥梁上道岔区时，桥梁的动力效应有较大影响，车辆、道岔、桥梁的各项动力响应均较通过路基上道岔时要高；　　 (3)随着连续梁跨度的增加和跨数减少，桥梁刚度会相应增加，致使轮轨间相互作用效果更加明显，影响列车运行安全性和稳定性；　　 (4)随着列车运行速度的提高，车-岔-桥系统的耦合动力响应也相应增加，尤其在300km/h以上时更加明显。
作者：	陈志伟
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	李林安
授予学位：	硕士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文