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原文传递城市轨道交通列车轨道结构系统动力相互作用研究

论文题名：	城市轨道交通列车轨道结构系统动力相互作用研究
关键词：	城市轨道交通;轨道结构;振动试验;橡胶浮置板式;动力特性
摘要：	随着我国城市轨道交通的大规模建设，迫切需要开展基础理论及关键技术的研究，在技术上制定相应的建设标准，选择合适的车辆和轨道结构型式及参数。另外，为了减少振动和噪音，可采用新型钢套橡胶轮与钢轨接触的运行模式，提高列车的平稳性和舒适性。但是，对于这一新型轻轨列车，目前尚缺乏理论研究和工程实践。本文基于国内外研究的现状，通过理论分析、模型试验和数值模拟等方法，对这一新型轻轨列车以及传统的城市地铁和轻轨列车与轨道结构的动力相互作用问题进行了深入的探讨。主要研究工作为： (1)进行了新型轻轨车辆钢套橡胶轮轮缘的大变形分析。基于大变形条件下橡胶增量本构关系和钢套橡胶轮轮缘与钢轮及钢轨之间接触的分析，构造了一个能较好反映轮缘几何大变形特征的8节点T.L.列式的曲壳块体单元。根据Hertz弹性接触理论计算出橡胶轮钢轨接触时接触椭圆的长、短半轴和接触面应力分布，然后进行了轮缘的大变形分析，得到轮缘的最大径向位移、应力和应变与轴向荷载的关系，进而得到钢套橡胶轮轮轨大变形接触时的径向等效刚度，为新型钢套橡胶轮轻轨列车轨道结构系统动力相互作用方程的建立奠定了基础。 (2)采用三角级数法，得到轨道高低和方向不平顺随轨道长度变化的样本；由Kalker滚动接触理论，详细推导了自由轮对沿直线轨道的运动方程，得到自由轮对的蛇行运动表达式，和轨道的方向不平顺一起，得到列车轨道结构系统动力相互作用方程的横向激振源。 (3)对国内外有关对列车轨道振动系统的动力学性能评价指标，如脱轨系数、轮重减载率、车体振动加速度、平稳性指标、轮轨竖向力、轮轴横向力和轮轨横向力等进行了归纳和分析，并给出了新型钢套橡胶轮轻轨列车爬轨侧脱轨系数的安全指标。 (4)采用弹性系统动力学总势能不变值原理和形成矩阵的“对号入座”法则，建立了比较完善的列车与有碴轨道和多种无碴轨道结构的动力相互作用模型。模型中将每一车辆视为由车体、转向架及轮对组成的多刚体，考虑车体和前、后转向架的横向、竖向、侧滚、摇头、点头自由度，每一轮对的横向、竖向、侧滚、摇头自由度。针对有碴轨道、枕式无碴轨道、弹性支承块式轨道、浮置板式轨道，分别建立了相应的组合单元动力学计算模型。模型中将钢轨模拟成离散粘弹性点支承基础上的Euler梁(浮置板式轨道为连续粘弹性支承)，轨枕、道碴道床和混凝土支承块视为刚性质量块，浮置板的竖向视为离散粘弹性支承基础上的等厚度矩形薄板，用有限元法中的纵横向有限条带单元进行离散，横向也视为离散粘弹性支点支承基础上的Euler梁。并对建立的列车-轨道时变系统动力相互作用方程，应用Newmark-β数值积分法，用VisualFortran95语言编制了可用于分析列车在任意编组条件下的车辆和轨道结构动力响应的计算程序。 (5)研制了一小比例的铁道车辆轨道系统振动试验模型；在对车辆和轨道系统模型主要参数测试和分析的基础上，进行了钢套橡胶轮对和钢轮对两种车辆模型多种车速的振动试验，并对车辆和轨道系统的动力响应作了对比；通过对理论计算结果和试验结果的比较，验证了本文所建立的列车轨道系统动力相互作用模型和编制程序的有效性。 (6)按照一选定的整体道床轨道结构型式，进行了钢套橡胶轮对轻轨列车和钢轮对轻轨列车的计算对比，首次得到这一新型城市轻轨列车的脱轨系数、轮重减载率、车体振动加速度等评价指标。 (7)应用建立的列车-轨道系统动力相互作用模型和编制的计算程序，对有碴轨道和广州市地铁二号线所采用的单趾弹簧扣件轨道、弹性支承块式轨道、橡胶浮置板式轨道及其浮置板式轨道过渡段进行了列车轨道耦合系统的动力学性能评估。最后，本文还研究了橡胶浮置板式轨道的动力特性，提出了浮置板厚度、轨下扣件刚度和橡胶支座刚度取值的合理范围。
作者：	邹锦华
专业：	结构工程
导师：	王荣辉;魏德敏
授予学位：	博士
授予学位单位：	华南理工大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文