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原文传递基于多体系统动力学和有限元法的车桥耦合振动精细化仿真研究

论文题名：	基于多体系统动力学和有限元法的车桥耦合振动精细化仿真研究
关键词：	车桥耦合振动;多体系统动力学;有限元法;精细化仿真
摘要：	客运专线和高速铁路的大规模兴建和列车速度的不断提高，以及越来越多的超大跨度跨海大桥的建设，为建立车桥耦合振动的精细化数值仿真模型提出了必然的需求。现有的车辆与桥梁的耦合振动研究中，在建立车辆动力学模型时，主要采用传统动力学分析方法拉格朗日第二类方程或牛顿-欧拉方程导出位置与姿态坐标的运动微分方程。随着铁路科学技术的发展，研究的车辆动力学模型越来越复杂，同时从车桥耦合振动研究中车辆分析模型的发展趋势看，需要进一步抽象和细化车辆动力学各元件对象模型，特别是考虑悬挂非线性问题，用手工符号推导动力学方程将面临相当繁重的代数和微分运算，并且非常容易出错，为此，不得不将系统作许多强制性的简化，降低自由度，但这样做很难揭示复杂的动力学性态，也很难满足精细化仿真的要求，使用多体系统动力学方法进行程式化的建模成为一种必然的选择。对桥梁进行有限元模拟时，一般采用空间杆系有限元法，而高速铁路桥梁的截面形状多为空心箱形截面，为了更准确的考虑梁体在高速列车作用下的空间挠曲以及扭转变形的特点，需要采用空间板壳单元模拟梁体。对于采用摩擦桩基础的桥梁，建立桥梁动力学模型需要同时考虑梁体—桥墩—桩基础—桩土相互作用的共同影响。　　随着计算机技术、有限元分析理论与多体系统动力学的发展，车辆—桥梁各子系统的精细化仿真分析及系统链接的实现成为了可能，车辆的动力学行为可以使用多体系统动力学方法进行分析，桥梁等弹性结构则使用有限元方法进行分析，然后将两个子系统在轮轨接触面离散的信息点上进行数据交换实现联合仿真。将多体系统动力学软件SIMPACK与有限元软件ANSYS结合起来，为车桥耦合振动的联合仿真分析构建了平台。　　本文首先介绍了多体系统动力学的基本理论，利用多体系统动力学方法建立了车辆三维空间精细化仿真模型，充分考虑了模型中的各种非线性因素，除了轮轨接触几何关系，轮轨蠕滑力计算非线性特性外，还充分考虑了机构参数中的各种非线性因素，并计算了车辆的线性临界速度和非线性临界速度。介绍了桥梁动力模型的有限元法、动力子结构技术的实现以及求解自振特性的原理。　　其次，针对弹性轮轨接触和约束轮轨接触，分别建立了多体系统中轮轨接触的运动方程，分析了轮轨接触点的求解方法及两种接触时法向力的求解原理。根据轮轨运动学关系，详细推导了Kalker简化理论—FASTSIM算法的实现过程。在分析多体系统动力学和有限元方法耦合集成的基础上，建立了多体系统和有限元数据交换过程的计算流程，并介绍了基于BDF的DASSL算法。以高速铁路简支梁桥为例，进行了车桥耦合振动仿真分析，证明了方法的可行性和有效性。　　最后，以客运专线大跨度连续梁桥和琼州海峡跨海工程超大跨度斜拉桥方案为研究对象，建立了车桥耦合振动三维精细化仿真模型。采用基于多体系统动力学和有限元法的联合仿真技术，进行了动车组列车通过桥梁时的仿真研究。　　针对大跨度连续梁桥，建立了同时考虑梁部、桥墩、桩基础和桩土相互作用的完整的桥梁动力学模型。对弹性轮轨接触和约束轮轨接触从理论上进行比较，并对两种接触时的车桥耦合振动响应进行了对比分析，研究了轮轨接触对车桥耦合振动的影响，分析了其适用性；对单线行车、双向对开以及两列车以不同车速双向对开时的车桥耦合振动仿真结果进行了对比分析；从比较秦沈线轨道谱、德国低干扰及德国高干扰谱三种谱功率谱密度和时间样本幅值的差异并结合三种谱时的车桥耦合振动动力参数的对比分析，探明了秦沈客运专线轨道谱与德国轨道谱之差异，探究了不平顺谱波长成分对车桥动力参数的影响；分析了阻尼比对桥梁动力响应的影响。　　针对琼州海峡跨海工程斜拉桥方案，采用空间板壳和杆系混合单元有限元法建立了斜拉桥动力分析模型。仿真计算了列车以不同车速单线行车和双向对开通过该大跨度斜拉桥的空间耦合振动响应，检算该方案桥是否具有足够的横向、竖向刚度及良好的运营平稳性。
作者：	崔圣爱
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	祝兵
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文