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原文传递高速列车脉动压力作用下声屏障的强度与疲劳性能分析

论文题名：	高速列车脉动压力作用下声屏障的强度与疲劳性能分析
关键词：	高速铁路;沿线噪声;数值仿真;脉动压力;声屏障;疲劳性能
摘要：	声屏障是解决高速铁路沿线噪声问题的有效设施之一，随着我国高速铁路的发展，声屏障也将被广泛应用。列车高速通过时，声屏障受到列车脉动压力的反复作用可能出现疲劳破坏。目前关于声屏障的研究还远远不能满足工程实际的要求，结构设计中仍然停留在采用列车通过时产生的气体脉动压力的最大值乘以动载放大系数作为平均压力载荷的思路上，使得安全系数往往较大，造成资源的浪费。为了实现高速铁路节能环保、可持续发展的要求，有必要研究列车通过时脉动压力对声屏障强度和疲劳性能的影响。　　本文采用粘性、可压缩、非稳态形式的流体流动控制方程和标准k-ε两方程紊流模型对列车通过声屏障时的三维流场进行数值模拟，得到了列车通过时产生的脉动压力在声屏障表面的分布规律以及单位长度声屏障受到的气体作用力与车速和声屏障到轨道中心线距离的函数关系。参照设计标准，建立了声屏障固体结构模型。根据动力学理论对声屏障固体结构进行模态分析，采用单向流固耦合和有限元结构分析方法对其进行了多工况的强度计算，得到了声屏障在列车通过时的变形规律和等效应力时程曲线，并得到了根据车速和声屏障到轨道中心线的距离估算H钢立柱等效应力和变形的拟合公式，对H型钢立柱的强度进行了校核。根据等效应力时程曲线，采用雨流计数法得到不同工况下立柱的应力谱，利用S-N曲线和线性疲劳累积损伤理论预测声屏障的疲劳寿命并对其进行疲劳性能分析。　　计算结果表明: 　　1.声屏障受到的列车脉动压力是一个随时间变化且在空间上分布不均匀的面载荷，大小与列车速度和声屏障到轨道中心线的距离有关。沿声屏障高度方向，内侧压力从下到上减小，外侧压力从下到上增大。单位长度声屏障受到的气体作用力基本与车速的二次方成正比，与声屏障到轨道中心线的距离为负指数关系。　　2.声屏障结构固有频率远远大于列车通过时产生的脉动压力的频率，列车通过时，声屏障不会发生共振。在列车脉动压力的作用下，H型钢立柱发生弯扭组合变形。头波作用下的立柱先远离列车弯曲后迎向列车弯曲，同时从俯视图方向看，立柱先逆时针扭转然后顺时针扭转最后逆时针扭转。尾波作用时，立柱的弯曲和扭转方向变化趋势与头波相反。立柱的等效应力在时间历程上表现为为四个脉冲，第一个脉冲峰值最大，且大致与车速的二次方成正比。等效应力远远低于材料的强度极限，立柱不会发生静强度破坏。　　3.H型钢立柱在计算工况下具有无限寿命，但在声屏障与轨道中心线的距离为3.34m车速超过350km/h并考虑会车的工况下，疲劳安全系数小于1.5，在设计寿命内可能发生疲劳破坏。对于无砟轨道，在声屏障与轨道中心线距离为4.65m车速为350km/h的情况下，疲劳安全系数大于2.5，材料可能存在浪费。
作者：	康健
专业：	动力机械及工程
导师：	李人宪
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文