重載鐵路具有低成本、高效率、運量大及污染少等優(yōu)點,一直是我國乃至全世界努力發(fā)展的目標。隨著重載鐵路列車的不斷提速以及軸重的增大,不僅會使承受列車荷載的軌道結構和軌下橋梁結構振動響應加劇,更易產(chǎn)生疲勞損傷和變形,也會使車-軌-橋系統(tǒng)中的相互作用加劇,使列車在橋上運行過程中安全性有所降低,進而導致脫軌事故。因此,系統(tǒng)地分析車輛、軌道、橋梁動力響應是十分必要的。本文首先闡述了當前國內外重載鐵路的發(fā)展現(xiàn)狀,以及車橋耦合動力學的研究現(xiàn)狀。并基于車-軌-橋系統(tǒng)耦合作用理論,推導出重載鐵路有砟軌道橋梁的垂向及空間有限單元方程,隨后選取了橋梁、軌道、車輛的參數(shù),分別利用有限元軟件ABAQUS建立簡支梁橋實體模型,多體動力學軟件UM建立柔性軌道及C80貨車模型,并使用Matlab語言自編車-軌-橋單車垂向動力學模型與UM進行對比驗證。在進行仿真之前,詳細介紹了車-軌-橋耦合系統(tǒng)中軌道不平順激勵因素和車輛、橋梁振動性能以及輪軌接觸的動態(tài)評價標準。介紹了有限元軟件ABAQUS在建立有限元模型和多體動力學軟件UM在分析車-軌-橋系統(tǒng)耦合動力學的關鍵步驟。在對車-軌-橋系統(tǒng)進行分析時,首先從列車的速度、軸重和編組三方面對系統(tǒng)的動力響應開始研究,總結出隨著速度和軸重的增大,車-軌-橋系統(tǒng)響應也有不同程度的增大,空重混編的列車脫軌系數(shù)和輪重減載率最大,更易脫軌。其次分別研究了軌下扣件剛度和道床剛度變化給系統(tǒng)帶來的影響,發(fā)現(xiàn)扣件剛度對車輛的安全性和穩(wěn)定性有一定影響,對軌道結構影響顯著,對橋梁結構影響甚微;道床剛度對車輛的安全性和穩(wěn)定性有影響很小,對鋼軌的響應影響有限,對軌枕及橋梁結構影響顯著。最后研究了影響橋梁振動的阻尼比和軌道不平順激勵,發(fā)現(xiàn)阻尼比可以有效的減小橋梁的振動響應,尤其是在共振時速下,對車輛的振動加速度有一定影響;對比了不同軌道譜對車-軌-橋系統(tǒng)響應的影響,根據(jù)數(shù)據(jù)對比得出不平順對系統(tǒng)的影響特點以及軌道譜質量的優(yōu)劣。
【學位單位】：蘭州交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：U239.4;U441.7
【部分圖文】：

為貨物運輸?shù)闹髁�，尤其在大宗貨物運輸方面，有著不可替代的地位。了降低能耗以及從環(huán)保的角度出發(fā)進行可持續(xù)發(fā)展，發(fā)行了“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)載鐵路運輸比其他運輸方式更加的節(jié)能、高效和環(huán)保，與我國當前的節(jié)能天保衛(wèi)戰(zhàn)”計劃正相吻合，已在多個省市進行貨物的公路轉鐵路運輸方式此，“貨運重載”必定會在原有的基礎上繼續(xù)發(fā)展。著車輛技術的不斷發(fā)展，列車的軸重在原來的基礎上不斷提高，目前我國鐵路通道等線路上已經(jīng)實現(xiàn)了軸重由 25t 到 30t 的飛越（見下圖）。國內對 32.5t 軸重的列車進行研究。列車軸重的增大會帶來輪軌力的增大，進體的振動加劇，對行車安全造成影響；向下會加劇軌道及軌下基礎（橋梁，使線路產(chǎn)生變形，增加鐵路養(yǎng)護維修的工作量[1]。在現(xiàn)行設計中，軌道數(shù)的選取基本按照規(guī)范，隨著列車運行速度以及軸重的增加，我們不能得線路是否能滿足發(fā)展的需要。因此，分析重載鐵路列車在橋梁上運行的不素影響下車輛、軌道、橋梁動力響應變化規(guī)律，以及各個部分的動力響應的規(guī)范要求是十分必要的。

（e）二軸列車模型過橋 （f）四軸列車模型過橋圖 1.2 車橋動力學模型演變過程圖早在 18 世紀 40 年代末，英國學者 Willis 便開始了對機車過橋的理論與試驗的研究，并首次利用移動常力過橋模型計算出了橋梁的動力響應，最終推導出了移動常力作用下橋梁的振動方程，開創(chuàng)了對車橋耦合體系作用理論進行計算分析的先河[9]。后來，Stokes在 Willis 結果的基礎上作了更加精確的分析，獲得了 Willis 方程的近似解析解，這種方法沒有考慮橋梁的質量，只考慮了單輪慣性力一個因素[10]。1887 年，Robinson 發(fā)表了一些荷載作用下橋梁振動的測試結果和初步的理論分析結果，[11]但是由于計算中模型忽略了橋梁質量，因此理論結果和實際還有較大的差距。1905 年，俄國學者 Kolousek 將機車各輪的沖擊力視作沿橋梁移動的周期性力，首次應用振型疊加法求得了連續(xù)梁橋在移動常力下的豎向振動解，得到了鐵路蒸汽機車在鋼架、靜不定連續(xù)以及拱橋上的響應[12]。6 年后，同樣為俄國學者的 Timoshenko 和 Krylov 將機車動輪偏心對橋梁的沖擊作用模擬為簡諧荷載，并給出了移動簡諧力作用下橋梁振動的原理[13—15]。之后于 1934 年，

轉向架 z 軸轉動慣量/(kg·m2) 1760輪對質量/kg 1257輪對 x 軸慣量/(kg·m2) 740輪對 z 軸慣量/(kg·m2) 740滾動圓半徑/m 0.915轉向架軸距之半/m 0.875車輛定距之半/m 4.35在建立仿真車輛模型時，車體，轉向架、輪對均視為剛體，各個部件之間的連接采用鉸和約束來定義。轉向架上的彈簧、阻尼器等通過使用力元模型來進行定義，可以通過輸入數(shù)值或函數(shù)來定義這些變量。在建立車輛模型過程中，對于車輛系統(tǒng)內部相似的結構，可以通過建立一個子結構系統(tǒng)，再將其復制成多個，并且主結構中的參數(shù)會隨著子結構的改變而自動改變，這樣可以省去大量的建模時間。在進行多節(jié)車輛仿真時，也同樣可以通過這種思路將單車模型進行復制，并在車輛間設置車鉤進行連接。
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本文編號：2855509