重載鐵路具有低成本、高效率、運(yùn)量大及污染少等優(yōu)點(diǎn),一直是我國(guó)乃至全世界努力發(fā)展的目標(biāo)。隨著重載鐵路列車(chē)的不斷提速以及軸重的增大,不僅會(huì)使承受列車(chē)荷載的軌道結(jié)構(gòu)和軌下橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)加劇,更易產(chǎn)生疲勞損傷和變形,也會(huì)使車(chē)-軌-橋系統(tǒng)中的相互作用加劇,使列車(chē)在橋上運(yùn)行過(guò)程中安全性有所降低,進(jìn)而導(dǎo)致脫軌事故。因此,系統(tǒng)地分析車(chē)輛、軌道、橋梁動(dòng)力響應(yīng)是十分必要的。本文首先闡述了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外重載鐵路的發(fā)展現(xiàn)狀,以及車(chē)橋耦合動(dòng)力學(xué)的研究現(xiàn)狀。并基于車(chē)-軌-橋系統(tǒng)耦合作用理論,推導(dǎo)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(chē)輛的參數(shù),分別利用有限元軟件ABAQUS建立簡(jiǎn)支梁橋?qū)嶓w模型,多體動(dòng)力學(xué)軟件UM建立柔性軌道及C80貨車(chē)模型,并使用Matlab語(yǔ)言自編車(chē)-軌-橋單車(chē)垂向動(dòng)力學(xué)模型與UM進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。在進(jìn)行仿真之前,詳細(xì)介紹了車(chē)-軌-橋耦合系統(tǒng)中軌道不平順激勵(lì)因素和車(chē)輛、橋梁振動(dòng)性能以及輪軌接觸的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。介紹了有限元軟件ABAQUS在建立有限元模型和多體動(dòng)力學(xué)軟件UM在分析車(chē)-軌-橋系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵步驟。在對(duì)車(chē)-軌-橋系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí),首先從列車(chē)的速度、軸重和編組三方面對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)開(kāi)始研究,總結(jié)出隨著速度和軸重的增大,車(chē)-軌-橋系統(tǒng)響應(yīng)也有不同程度的增大,空重混編的列車(chē)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(lái)的影響,發(fā)現(xiàn)扣件剛度對(duì)車(chē)輛的安全性和穩(wěn)定性有一定影響,對(duì)軌道結(jié)構(gòu)影響顯著,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響甚微;道床剛度對(duì)車(chē)輛的安全性和穩(wěn)定性有影響很小,對(duì)鋼軌的響應(yīng)影響有限,對(duì)軌枕及橋梁結(jié)構(gòu)影響顯著。最后研究了影響橋梁振動(dòng)的阻尼比和軌道不平順激勵(lì),發(fā)現(xiàn)阻尼比可以有效的減小橋梁的振動(dòng)響應(yīng),尤其是在共振時(shí)速下,對(duì)車(chē)輛的振動(dòng)加速度有一定影響;對(duì)比了不同軌道譜對(duì)車(chē)-軌-橋系統(tǒng)響應(yīng)的影響,根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比得出不平順對(duì)系統(tǒng)的影響特點(diǎn)以及軌道譜質(zhì)量的優(yōu)劣。
【學(xué)位單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：U239.4;U441.7
【部分圖文】：

為貨物運(yùn)輸?shù)闹髁�，尤其在大宗貨物運(yùn)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(jìn)行可持續(xù)發(fā)展，發(fā)行了“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)載鐵路運(yùn)輸比其他運(yùn)輸方式更加的節(jié)能、高效和環(huán)保，與我國(guó)當(dāng)前的節(jié)能天保衛(wèi)戰(zhàn)”計(jì)劃正相吻合，已在多個(gè)省市進(jìn)行貨物的公路轉(zhuǎn)鐵路運(yùn)輸方式此，“貨運(yùn)重載”必定會(huì)在原有的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展。著車(chē)輛技術(shù)的不斷發(fā)展，列車(chē)的軸重在原來(lái)的基礎(chǔ)上不斷提高，目前我國(guó)鐵路通道等線(xiàn)路上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了軸重由 25t 到 30t 的飛越（見(jiàn)下圖）。國(guó)內(nèi)對(duì) 32.5t 軸重的列車(chē)進(jìn)行研究。列車(chē)軸重的增大會(huì)帶來(lái)輪軌力的增大，進(jìn)體的振動(dòng)加劇，對(duì)行車(chē)安全造成影響；向下會(huì)加劇軌道及軌下基礎(chǔ)（橋梁，使線(xiàn)路產(chǎn)生變形，增加鐵路養(yǎng)護(hù)維修的工作量[1]。在現(xiàn)行設(shè)計(jì)中，軌道數(shù)的選取基本按照規(guī)范，隨著列車(chē)運(yùn)行速度以及軸重的增加，我們不能得線(xiàn)路是否能滿(mǎn)足發(fā)展的需要。因此，分析重載鐵路列車(chē)在橋梁上運(yùn)行的不素影響下車(chē)輛、軌道、橋梁動(dòng)力響應(yīng)變化規(guī)律，以及各個(gè)部分的動(dòng)力響應(yīng)的規(guī)范要求是十分必要的。

（e）二軸列車(chē)模型過(guò)橋 （f）四軸列車(chē)模型過(guò)橋圖 1.2 車(chē)橋動(dòng)力學(xué)模型演變過(guò)程圖早在 18 世紀(jì) 40 年代末，英國(guó)學(xué)者 Willis 便開(kāi)始了對(duì)機(jī)車(chē)過(guò)橋的理論與試驗(yàn)的研究，并首次利用移動(dòng)常力過(guò)橋模型計(jì)算出了橋梁的動(dòng)力響應(yīng)，最終推導(dǎo)出了移動(dòng)常力作用下橋梁的振動(dòng)方程，開(kāi)創(chuàng)了對(duì)車(chē)橋耦合體系作用理論進(jìn)行計(jì)算分析的先河[9]。后來(lái)，Stokes在 Willis 結(jié)果的基礎(chǔ)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(méi)有考慮橋梁的質(zhì)量，只考慮了單輪慣性力一個(gè)因素[10]。1887 年，Robinson 發(fā)表了一些荷載作用下橋梁振動(dòng)的測(cè)試結(jié)果和初步的理論分析結(jié)果，[11]但是由于計(jì)算中模型忽略了橋梁質(zhì)量，因此理論結(jié)果和實(shí)際還有較大的差距。1905 年，俄國(guó)學(xué)者 Kolousek 將機(jī)車(chē)各輪的沖擊力視作沿橋梁移動(dòng)的周期性力，首次應(yīng)用振型疊加法求得了連續(xù)梁橋在移動(dòng)常力下的豎向振動(dòng)解，得到了鐵路蒸汽機(jī)車(chē)在鋼架、靜不定連續(xù)以及拱橋上的響應(yīng)[12]。6 年后，同樣為俄國(guó)學(xué)者的 Timoshenko 和 Krylov 將機(jī)車(chē)動(dòng)輪偏心對(duì)橋梁的沖擊作用模擬為簡(jiǎn)諧荷載，并給出了移動(dòng)簡(jiǎn)諧力作用下橋梁振動(dòng)的原理[13—15]。之后于 1934 年，

轉(zhuǎn)向架 z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg·m2) 1760輪對(duì)質(zhì)量/kg 1257輪對(duì) x 軸慣量/(kg·m2) 740輪對(duì) z 軸慣量/(kg·m2) 740滾動(dòng)圓半徑/m 0.915轉(zhuǎn)向架軸距之半/m 0.875車(chē)輛定距之半/m 4.35在建立仿真車(chē)輛模型時(shí)，車(chē)體，轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)均視為剛體，各個(gè)部件之間的連接采用鉸和約束來(lái)定義。轉(zhuǎn)向架上的彈簧、阻尼器等通過(guò)使用力元模型來(lái)進(jìn)行定義，可以通過(guò)輸入數(shù)值或函數(shù)來(lái)定義這些變量。在建立車(chē)輛模型過(guò)程中，對(duì)于車(chē)輛系統(tǒng)內(nèi)部相似的結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)建立一個(gè)子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，再將其復(fù)制成多個(gè)，并且主結(jié)構(gòu)中的參數(shù)會(huì)隨著子結(jié)構(gòu)的改變而自動(dòng)改變，這樣可以省去大量的建模時(shí)間。在進(jìn)行多節(jié)車(chē)輛仿真時(shí)，也同樣可以通過(guò)這種思路將單車(chē)模型進(jìn)行復(fù)制，并在車(chē)輛間設(shè)置車(chē)鉤進(jìn)行連接。
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本文編號(hào)：2855509