高速铁路车辆-轨道垂向耦合相互作用优化研究

摘要

随着铁路运输的高速化和重载化，轮轨之间的相互作用力也在不断增强，车辆-轨道系统的振动不断加剧，加深对轮轨系统之间的高频振动响应的研究对车辆-轨道耦合系统至关重要。本文在借鉴国内外现有研究成果的基础上，对传统车辆-轨道垂向耦合系统建模和计算方法做了进一步的优化，主要完成了以下工作:
　　(1)建立了一种新型的钢轨-轨下结构动力分析模型
　　本文基于直接有限元法将钢轨视为弹性离散点支承的无限长连续梁，并与轨下结构分开建模，与传统的模态分析法相比，本文模型在获取相对较高频率的轮轨振动响应成分和迭代收敛等方面具有一定的优越性，且可以针对各种轨下结构形式，处理多种非理想的工程实际情况。
　　(2)推导了轨下结构子系统与钢轨子系统的约束条件处理模式
　　把轨道板子系统与钢轨子系统分开建模，两个子系统之间需满足几何相容条件和静力平衡条件，钢轨通过轨下胶垫以力的形式作用于轨道板，而轨道板则以强迫位移和强迫速度的形式通过轨下胶垫作用于钢轨系统。
　　(3)基于Hertz非线性弹性接触理论编制了车辆-轨道垂向耦合动力分析程序
　　基于轮轨间Hertz非线性弹性接触理论和本文模型，建立了车辆-轨道垂向耦合系统的振动微分方程和收敛准则，并采用Newmark-β法编制了可适用于轨道板、路基、桥梁等多种轨道结构形式的车辆-轨道垂向耦合动力分析程序VTVCD。
　　(4)轨道几何不平顺和轨道刚度不平顺对车辆-轨道动力响应的影响
　　分别将轨道几何不平顺、轨道刚度不平顺以及两者同时作用作为车辆-轨道耦合的激励源进行仿真分析，发现在轨道刚度平顺性较好的区段，轨道几何不平顺是车辆-轨道动力系统的主要激励源，但轨道刚度不平顺对钢轨的振动响应也会产生一定程度的影响。

目录

声明

致谢

摘要

1．绪论

1．1 选题的背景和意义

1．2 车辆-轨道耦合振动的研究现状

1．3 本文的研究内容和思路

2．轨道结构动力模型的建立

2．1 传统轨道结构动力模型的局限性及其收敛性分析

2．2 本文采用的轨道结构动力分析模型

2．3 钢轨支承约束条件和强迫位移、强迫速度的处理方法

2．4 轨道结构振动微分方程

2．5 本章小结

3．车辆动力模型

3．1 车辆系统计算模型

3．2 车辆振动微分方程

3．3 本章小结

4．轮轨相互作用理论

4．1 轮轨接触理论

4．2 轨道几何不平顺

4．3 轨下刚度不平顺

4．4 本章小结

5．车辆-钢轨-轨下结构垂向耦合振动方程的建立及求解

5．2 车辆-钢轨-轨下结构系统方程求解的数值积分方法

5．3 车辆-钢轨-轨下结构系统耦合振动分析程序设计

5．4 收敛准则

5．5 本章小结

6．高速铁路无砟轨道几何及刚度不平顺对车辆-轨道动力性能的影响

6．1 轨道几何不平顺对车辆-轨道动力性能的影响

6．2 轨道刚度不平顺对车辆-轨道动力性能的影响

6．3 轨道刚度、几何不平顺对车辆-轨道动力性能的影响

6．4 本章小结

7．结论及展望

7．1 主要研究工作与结论

7．2 展望

参考文献

附录