城市高架桥车-桥-墩系统竖向振动分析

假设城市高架桥为两端简支的欧拉-伯努利梁模型以及桥墩为底部固结的柱,考虑两自由度车辆移动系统与桥面结构表面接触处不平整产生的随机激励以,建立了多个移动车辆系统-桥-墩的耦合力学模型,并且给出了耦合振动方程详细的求解步骤.数值分析采用Wilson-θ法求解.通过仿真分析,讨论了在不同路面等级、不同车辆移动速度下桥梁跨中位移响应和桥墩轴力的变化规律.最后根据车-桥-墩耦合力学模型和车-桥耦合力学模型,比较了两种分析模型对桥墩底部轴力和桥梁跨中截面位移的影响.分析结果表明桥墩对桥梁跨中截面位移的影响可以忽略不计,但是对桥墩本身所受轴力的影响则非常显著.     

一种基于轮轨竖向刚性接触的车-桥空间耦合振动建模方法

车辆-桥梁耦合振动研究具有重要的理论意义和工程实用价值,耦合系统运动方程的建立是研究开展的关键。本文将车辆-桥梁作为一个整体系统,采取轮轨竖向刚性接触方式,考虑轨道竖向、横向不平顺及其一、二阶导数,和轮对侧滚惯性力以及自旋角动量的影响,车辆采用弹簧阻尼连接的多刚体模拟,桥梁采用空间梁单元离散,基于Kalker线性蠕滑理论结合Shen-Hedrick-Elkins修正理论计算轮轨蠕滑力,运用弹性系统动力学总势能不变值原理及其对号入座法则,推导了车辆-桥梁耦合系统空间有限元形式的运动方程,该运动方程可采用逐步积分法直接求解得到车辆和桥梁的动力响应。最后,本文给出了典型的数值算例进行了分析计算。     

车-轨-桥耦合动力系统影响参数分析

为了考虑高速列车、板式无砟轨道和桥梁相互作用的特点,需将列车模拟为质量-弹簧-阻尼多刚体相互约束的系统,通过列车车轮与钢轨的接触关系,建立车-轨-桥耦合系统的运动方程。重点分析了双线列车以不同工况通过高速铁路桥梁时,列车行驶状态(速度和加速度)、列车悬挂系数和钢轨-轨道-桥梁连接参数分别对车-轨-桥耦合系统的动力学性能影响。结果表明,(1)列车的加速度和速度的变化对耦合系统有不同程度的影响,随着列车行驶速度与加速度在一定范围内增加,车体自身结构的位移振动响应逐渐减小,而钢轨和桥梁结构的位移振动响应则不断增加;(2)列车悬挂参数的改变对列车自身结构影响较大,而对钢轨和桥梁结构影响很小;(3)车体一系刚度系数增大会引起列车系统结构振动响应变大,但车体二系刚度系数的增加却抑制了车体结构的振动响应;(4)除了钢轨的最大加速度随着连续刚度系数增加呈线性递减外,列车、钢轨和桥梁的振动响应不易受钢轨与桥梁间连接参数的影响。     

车辆制动作用下的车辆-路面-桥梁系统随机振动分析

视车辆、路面体系和桥梁为整个系统,将车辆模拟成弹簧和阻尼器连接的多刚体,沥青路面层模拟成Kelvin模型支承的无限长梁,混凝土路面和主梁一起模拟成Euler-Bernoulli梁。应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,建立了系统的竖向运动方程;并运用协方差等效方法模拟了车轮随机输入非平稳时域模型。研究了车辆制动作用下的车辆-路面-桥梁耦合系统的振动特性。计算表明:在其他条件相同时,刹车时,混凝土路面层对应的冲击系数为沥青路面层所对应系数的1.31倍;刹车时间为0.3 s时对应的冲击系数为刹车时间0.6 s所对应的1.29倍;路面的不平状况加剧了车辆制动作用时对桥梁冲击系数的影响。     

基于虚拟变形法的车-桥耦合系统移动质量识别

利用双自由度质量-弹簧阻尼模型模拟移动车辆, 并基于虚拟变形(VDM)方法的结构快速重分 析思想, 提出一种车-桥耦合系统的移动质量快速识别的有效方法. 该方法以双自由度车体模 型的质量为变量, 通过最小化桥体结构实测响应和计算响应的平方距离来识别移动质量 (载荷), 避免了识别载荷时常遇到的病态问题, 对噪声鲁棒性强, 且需要传感器信息少. 每步优化 中, 利用在VDM方法基础上提出的移动动态影响矩阵概念, 无需时时重构车-桥耦合系统的时 变系统参数矩阵, 显著提高了计算效率. 利用数值框架梁模型, 通过比较不同车辆简化模型 对移动体质量及等效移动载荷的识别效果, 验证了该方法的可行性和有效性, 即使在5% 的噪声影响下, 利用一个传感器可以准确地识别多个移动体的质量.     

基于虚拟激励法的车-轨-桥耦合系统的随机振动响应分析

轨道随机不平顺作为引起车辆-轨道-桥梁耦合系统振动的最重要的激励源,对列车过桥平稳性有着至关重要的影响．建立车辆-轨道-桥梁耦合垂向振动模型,采用虚拟激励法,计算随机不平顺激励下车辆运行的平稳性以及轨道和桥梁结构的振动特性,避免了繁复的时频转换和复杂的数值积分．数值分析了不同速度下列车过桥的平稳性和列车对不平顺波长的敏感范围．经过分析得到,列车运行速度越大,过桥平稳性指标越大,即舒适性越差;而且影响列车平稳性的不平顺波长越长,其影响范围越大．     

公路桥梁车辆耦合系统随机最优控制研究

为了研究公路桥梁车辆耦合系统随机振动的控制策略,本文基于1/4车辆-桥梁模型,采用随机最优控制中随机最优输出调节器对系统进行控制。算例分析表明:采用随机最优控制的系统竖向位移响应方差较无控制情况减小量达90%。该控制方法的应用可大大降低系统竖向位移响应方差,有效提高车辆行驶的平稳性。     

车-钢桥面铺装耦合振动系统动力效应分析

为研究行车车速、桥面的不平度和桥面损伤对车-桥面铺装耦合振动系统动力效应的影响规律,将汽车等效为两自由度五参数模型,将正交异性桥面铺装等效为梁-板结构.在车辆与桥面铺装接触点采用接触力和位移协调的条件,建立车辆和桥面铺装动力耦合系统模型和振动方程组.利用模态分析法以及时变力学系统的求解方法-状态空间法,借助大型有限元软件ANSYS和MATLAB编程技术,求解车-钢桥面铺装耦合振动系统的动力响应.分析由桥面铺装的不平度、车速以及桥面损伤等引起的行驶车辆的随机动荷载对桥面铺装冲击系数的影响,并考虑桥面的不平整将车辆荷载简化成沿铺装层表面的随机动荷载和车辆荷载简化成沿铺装层表面纵向移动的恒载两种加载方式的分析结果进行比较.研究结果表明,在进行铺装层结构设计计算以及复合梁疲劳试验时,可考虑冲击系数为1.5.     

车-桥-线竖平面振动及其能量转化机制精细建模

建立了考虑车-桥(线)纵向振动及其能量相互转化机制的竖平面内精细耦合运动方程.将车-桥(线)视为一个整体系统,车辆各剐体的纵向运动均作为独立的自由度,考虑到车-桥(线)纵向振动及其能量相互转化机制,车辆驱动或制动作用采用轮轨间的纵向相互作用力和轮对作用力矩模拟,桥梁、线路结构采用梁单元离散,线路与桥梁之间的钢轨基础采用竖向和纵向的均布弹簧阻尼连接,建立了竖平面内精细耦合运动方程,它可合理模拟车桥(线)间能量相互转化的过程.简支梁桥算例表明:车辆在桥上无驱动或制动运行过程中,不考虑轨道结构时车速先增加后减小,而考虑轨道结构时车速只有减小的趋势,轮对还发生了高频的纵向振动,且车体和轮对的纵向振动对轨道竖向不平顺较为敏感;此外,考虑轮轨滚动碾压作用和能量转化机制时,钢轨加速度响应略偏大.本文研究可为实际车辆动态变速运行的模拟和更精细空间耦合模型的建立提供研究基础.     

车辆-轨道系统垂向随机振动的辛方法分析

将轨道视为无限长的周期结构,建立车辆轨道垂向耦合模型. 使用虚拟激励法将随机的轨道不平顺激励转化为确定性的简谐激励,再用辛数学方法求解轨道结构的频率响应特性和耦合系统的响应功率谱. 整个计算模型只有26个自由度,求解过程快速而精确.数值算例中,将该方法与常规有限元方法进行了比较,验证了方法的高效性和正确性,讨论了车辆速度对系统随机响应的影响.      

车辆各轮相干桥面不平顺激励的车桥耦合振动

根据车辆左右轮的互功率谱密度和相干函数,推导了左右轮桥面不平顺特性中对应相位角的相干关系,提出了采用相位角相干生成车辆各轮相干桥面不平顺激励的方法,并通过数值算例验证了该生成方法的可靠性.工程应用结果表明,车辆各轮相干桥面不平顺激励增大了桥梁、车辆竖向和车辆俯仰角的振动响应,但降低了车辆侧倾角的振动响应;不同相干函数模...     

车桥耦合振动系统的半主动控制法

在已研究的车桥耦合振动动力学模型的基础上,针对简支桥梁模型,将车载对桥梁的耦合作用力看作是外干扰,提出了一种对桥梁的半主动控制模型。根据哈密顿原理推导了控制模型,发现这种模型自身具有状态反馈的特点;针对四分之一车辆与桥梁耦合振动建立的控制模型,经过搭建Simulink仿真,可以看出该模型对于跨中位移以及耦合力作用点位移振幅的削减幅度达80%左右,由此说明了半主动控制模型具有良好的控制效果。     

基于智能驾驶电动汽车的多车?桥梁耦合系统动力学特性研究

迫于能源和环保问题的压力, 电动汽车及智能驾驶受到了各国高度重视. 轮毂电机驱动电动汽车车轮振动剧烈, 与桥梁路面动力学相互作用更加突出, 现有研究主要针对传统汽车, 关于电动车轮与公路桥梁接触动力学相互作用及智能驾驶车队的多车?桥梁耦合作用研究尚不多见. 本文以轮毂电机驱动电动汽车为研究对象, 考虑车轮和桥面多点接触关系, 研究了两个智能驾驶汽车过桥时的车桥耦合动力学特性. 分析了电机质量、电机激励、轮胎悬架刚度非线性、车距、车速对系统振动特性的影响, 以及桥面不平顺激励、三重耦合激励对电动汽车平顺性的影响. 研究表明: 车距和车速是影响车?桥系统振动特性的重要因素, 在车?桥耦合动态设计中, 车距和车速的影响应重点关注; 桥面越平坦, 电机激励及桥面二次激励对车辆平顺性和道路友好性影响越加显著, 当汽车行驶在平坦桥面时两种激励对轮毂电机驱动电动汽车的影响不容忽视. 所建模型有望为智能驾驶电动汽车与桥梁的耦合作用研究提供理论参考.      

车辆-桥梁耦合作用分析

文章通过拉氏方程，在时变动力学的基础上，建立车-桥耦合振动的系统方程。重点探讨了车的质量、车速、刚度、阻尼比、桥跨、桥的阻尼比，桥面粗糙程度等参数在车．桥耦合振动中的作用。其中车速、车的刚度、桥的形式、桥的阻尼起着重要作用。文中还比较了把车辆分别模拟为移动力、移动刚体、移动的弹性体时车．桥互相作用力的差别，得出有必要将车辆模拟为移动的弹性体，以减小分析高速车辆所引起的互相作用力的误差。并考虑了车-桥耦合振动中行驶车辆的转动效应，虽然它的影响是很小的；还尝试性的讨论了桥上行车舒适度的问题，车的阻尼起着很重要的作用。     

基于LS -DYNA公路桥车桥耦合的车辆模型研究

研究公路桥梁在移动车辆荷载作用下的动力响应,建立合理的车辆模型非常重要。为更真实地体现桥梁在车载作用下的动力响应,基于LS-DYNA程序,结合常用重型车辆的结构特性及参数,对车辆的橡胶轮胎、轮胎内气体压力、车轮转动和车辆悬架系统进行模拟,使车辆模型更接近实际车辆。通过车辆轴重和动力特性初步验证车辆有限元模型的有效性;同时,以一座混凝土简支空心板梁桥为算例,验证车轮转动和车桥相互接触力,并将LS-DYNA计算结果与桥梁实测结果进行对比,进一步验证车辆有限元模型的有效性。研究结果表明,基于LS-DYNA建立的三维车辆有限元模型是可行的,可以用于研究车桥相互作用。     

Nonlinear dynamic analysis for coupled vehicle-bridge system with harmonic excitation

In this paper, a multi-degree-of-freedom lumped parameter coupled vehicle-bridge dynamic model is proposed considering the nonlinearities of suspension and tire stiffness/damping and the nonlinear foundation of bridge. In terms of modelling, the continuous expressions of the kinetic energy, potential energy and the dissipation function are constructed. The dynamic equations of the coupled vehicle-bridge system (CVBS) are derived and discretized using Galerkin’s scheme, which yield a set of second-order nonlinear ordinary differential equations with coupled terms. The numerical simulations are conducted by using the Newmark-β integration method to perform a parametric study of the effects on excitation amplitude, suspension stiffness and position relation. The bifurcation diagram, 3-D frequency spectrum and largest Lyapunov exponent are demonstrated in order to better understand the vibration properties and interaction between the vehicle and bridge with the key system parameters. It can be found that the nonlinear dynamic characteristics such as parametric resonance, jump phenomena, periodic, quasi-periodic and chaotic motions are strongly attributed to the interaction between vehicle and bridge. Significantly, under the combined internal and external excitations, the vibration amplitudes of the CVBS have a certain degree of dependence on the external excitation. Suspension stiffness could lead to complex dynamics such as the higher-order bifurcations increase and the chaotic regions broaden. The increasing of distance could effectively control the nonlinear vibration of CVBS. The application of the proposed nonlinear coupled vehicle-bridge model would bring higher computational accuracy and make it possible to design the vehicle and bridge simultaneously.     

跳车冲击力作用下车桥耦合动力学数值分析

考虑到传统的Hertz弹簧模型进行车桥耦合动力学分析存在诸多问题,本文基于简单的车桥耦合模型,导出了车桥耦合与非耦合动力学方程。考虑轨道周期和随机不平顺情况,车辆在不平顺轨道曲线上运行时,当离心力大于车辆自重时,自动确定车辆的起跳时间和起跳高度。起跳后的车辆在重力作用下,将重新回到梁上,同时对梁有一冲击作用力。文章假设了此冲击力的作用规律,并由有限元模拟确定冲击力系数。通过自编程序,对单轴行车简支梁进行了数值计算。数值分析结果表明,考虑跳车冲击力的动力模型能够更加精准地反应车桥耦合振动特征,且本模型首次给出了跳车高度。考虑轨道具有相同幅值的周期不平顺和随机不平顺时,轨道随机不平顺将导致桥梁,尤其是车辆的响应更大,舒适性更差或结构更危险,在车桥耦合动力学分析中应重点关注。     

Coupling vibration of vehicle-bridge system

By applying the sinusoidal wave mode to simulate the rugged surface of bridge deck, accounting for vehicle-bridge interaction and using Euler-Bernoulli beam theory, a coupling vibration model of vehicle-bridge system was developed. The model was solved by mode analyzing method and Runge-Kutta method, and the dynamic response and the resonance curve of the bridge were obtained. It is found that there are two resonance regions, one represents the main resonance while the other the minor resonance, in the resonance curve. The influence due to the rugged surface, the vibration mode of bridge, and the interaction between vehicle and bridge on vibration of the system were discussed. Numerical results show that the influence due to these parameters is so significant that the effect of roughness of the bridge deck and the mode shape of the bridge can‘ t be ignored and the vehicle velocity should be kept away from the critical speed of the vehicle_     

桥梁表面不平顺对车-桥耦合振动系统动力效应的影响

利用模态分析法以及时变力学系统的求解方法,考虑桥面不平顺产生的随机激励,以简支梁桥为对象,计算了四自由度模型车辆-桥梁耦合系统的动力效应,讨论了不同等级桥面平整度情况下桥梁冲击系数、车辆垂直加速度、车轮对桥的作用力的变化规律。结果表明,随着不平整度系数逐渐增大,冲击系数逐渐增大;平整度较差等级的桥面,车辆垂直加速度较大,车轮对桥的作用力也较大。     

考虑轮轨脱离的车桥耦合系统动力响应分析

针对密贴和弹簧连接两种轮轨关系模型,通过构造车轮与桥梁之间相对位移和相互作用力间的线性互补关系,建立了两种考虑轮轨脱离的车桥耦合系统动力学分析模型,从而将车桥耦合系统的轮轨连接问题转化为标准的线性互补问题。本文方法不需要在每一个时间步对接触状态进行判断,避免了传统算法的迭代求解过程,能够对轮轨脱离进行模拟。在数值算例中,讨论了无量纲化的车桥耦合系统质量、刚度等参数和行驶状态对系统响应动力放大系数的影响,以及速度因子和车桥质量因子对轮轨脱离的影响。数值算例证明了本文方法的正确性,且相对于传统轮轨接触模型具有更高的计算效率。