车轨系统随机响应周期性拟稳态分析

提出用于三维车轨耦合系统随机动力响应高效求解的周期性拟稳态分析方法. 车辆采用三维刚体动力学模型,轨道结构利用三维轨道广义单元建模. 假定轨枕间距均匀,则列车在轨道上行驶过程中,车轨耦合系统动力学方程具有典型周期时变特征. 应用虚拟激励方法将轨道随机不平顺转化为虚拟简谐不平顺,在状态空间下运用周期系数微分方程的性质和Schur分解技巧将上述问题的求解转化为周期性拟稳态响应分析,只需通过求解系数矩阵为上三角的线性方程组即可代替以往时变系统虚拟响应求解过程中的逐步积分过程,计算效率获得较大提高. 采用该方法进行了三维车轨耦合系统的随机动力响应分析,并进行了不平顺随机载荷在车体、转向架、轮对和轨道等部件中传递机理分析,获得了一些有价值结论.      

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.      

基于逆虚拟激励法的垂向轨道不平顺功率谱识别

提出一种识别轨道垂向不平顺功率谱的新方法.采用定点激励的垂向车辆-板式轨道耦合动力学模型.车辆简化为多刚体模型,板式轨道考虑为3层梁模型,并通过线性轮轨力耦合车辆模型和轨道模型.以轴箱加速度作为测量对象,采用逆虚拟激励法识别垂向轨道不平顺的功率谱,并研究了测量误差和车辆运行速度对垂向轨道不平顺的识别精度的影响.数值结果表明,本文方法能够较为准确地识别垂向轨道不平顺功率谱,为列车运行环境载荷识别与评估提供了新的途径.     

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．     

不确定车轨耦合系统辛随机振动分析

建立了轨道不平顺作用下具有不确定参数车轨耦合系统随机振动评估方法. 车辆系统采用物理坐标下多刚体系统模型,并应用高斯随机变量模拟车体、转向架和轮对一系、二系连接系统中动力学参数具有的不确定性. 采用无穷周期结构进行弹性轨道模拟,在哈密顿状态空间下建立了典型轨道子结构的状态运动方程,通过轮轨耦合关系建立了混合 物理坐标及辛模态坐标车轨耦合系统运动方程. 应用Hermite正交多项式展开得到了耦合系统动力响应相对于不确定性参数的控制方程. 由于利用轨道周期特性建模,所获得的控制方程有效地降低了方程维度. 轮轨接触处轨道不平顺载荷模拟为完全相干多分量平稳随机过程,推广和发展虚拟激励法建立了耦合系统随机振动受不确定动力学 参数影响的量化评估方法. 通过Monte Carlo数值模拟,验证了该方法在不确定参数变异很大时也能够保持较好的精度,具有一定的工程实用性.     

三维车桥耦合系统的非平稳随机振动分析

推导了线性时变系统非平稳随机响应的多维虚拟激励法,研究了三维车桥耦合系统受轨道激励而产生的非平稳随机振动。桥梁模型采用空间Euler梁单元,轨道激励假设为均匀调制多点异相位非平稳随机激励。采用多维虚拟激励法把轨道不平度转化为一系列简谐不平度的叠加,通过简单分解精细积分格式进行迭代计算,最终得到系统随机响应的时变功率谱及均方根。数值算例中,用时间历程法验证了本文方法的正确性,并且分析了方向、高低、水平三类轨道激励同时作用下三维车桥耦合系统的非平稳随机振动特性。     

高速列车-轨道-路基耦合垂向振动特性分析

随着高速铁路的发展,列车运行速度和列车载重的不断提高,轨道结构承受的动载荷不断增大,其反复作用的结果必将导致轨道结构部件疲劳破坏更加突出,可靠性下降,并加速残余累积变形;反过来轨道结构部件的破坏,影响列车行驶的安全性和舒适性.因此,列车-轨道-路基耦合系统动力学问题越来越受到学术界的关注.采用统一模型法,建立车辆、钢轨、轨枕、道床和路基为一体的二系垂向耦合动力分析模型,利用新型显式积分法对耦合系统运动方程进行数值积分计算,分析列车速度、轨枕间距、轨道不平顺及列车重量对列车运行的品质、动位移以及轨道结构振动的影响规律.对车辆运行速度的控制以及对轨道结构设计、施工和养护提供有用的参考.     

复杂机车振动环境下牵引电机轴承服役寿命评估

牵引电机是铁路机车的动力源, 其关键零部件(支承轴承等)的服役性能直接影响机车传动系统的稳定性和可靠性. 对于重载机车, 传统轴承服役寿命评估方法主要基于定载荷工况, 难以准确评估轨道不平顺等复杂外部激励作用下电机轴承的服役寿命. 因此, 本文根据车辆-轨道耦合动力学理论, 考虑轨道车辆运行过程中的轮轨相互作用和齿轮啮合作用, 建立了具有牵引动力传动系统的机车-轨道耦合动力学模型; 采用线性损伤累积准则和ISO 281标准计算方法, 评估了复杂机车振动环境下牵引电机轴承的服役寿命. 结果表明, 在轨道随机不平顺激励下, 机车轮轨垂向力、齿轮啮合力、牵引电机内部转子离心力、不平衡磁拉力等明显增大; 在复杂机车振动环境中, 电机轴承内部滚子-滚道相互作用加剧, 传动端与非传动端轴承的疲劳寿命缩短; 随着线路状态的不断恶化和机车运行速度的提高, 牵引电机轴承的预测寿命里程不断减小; 由于传动端轴承承受较大的外部动态载荷, 传动端轴承的服役寿命明显低于非传动端轴承. 本文提出的评估方法可为机车牵引电机轴承的设计、选型和寿命评估提供理论指导.      

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。     

考虑轨道不平顺的车-桥动力分析

考虑轨道不平顺，采用整体车辆和桥梁组合的计算模型。对高架轨道进行车-桥动力分析。对给定的功率谱密度函数，构造等效的频谱幅值和随机相位后再作Fourier逆变换来模拟轨道不平顺，结果表明新方法比通常的三角级数法更为有效，对于轨道平顺及不平顺两种情况，针对两种车速计算车体和桥梁的动力反应。结果表明，轨道不平顺以及车速提高对桥梁跨中位移的影响较小，但对桥梁跨中加速度的影响较大而且高频反应明显增大。轨道不平顺对车体振动的影响较大，振动的幅值和频率都大大提高，车速增大时，尽管车体加速度反应明显增大，但是其位移则变化不大。同时，采用模拟与实测两种不平顺样本的计算结果表明，本文采用功率谱密度函数的模拟方法可以基本反映轨道的实际不平顺情况。     

高速铁路碎石道砟振动的离散元模拟

道砟振动对其磨损、破碎和道床累积变形有显著影响,为揭示高速车辆移动荷载作用下道砟动态响应特性,建立有砟道床离散元模型,开展车辆-轨道耦合动力学计算得到离散元模型输入荷载,模拟分析高速车辆以不同速度通过时有砟道床的振动响应,并与车辆-轨道耦合动力学计算结果进行对比分析。结果表明,轨枕、道砟和道床块振动位移波形相似,位移幅值沿道床深度方向减小,道床块振动位移与轨枕底面以下0.3m处道砟的振动位移相当;轨枕、道床块振动速度与加速度随行车速度提高而增大;受道砟颗粒间复杂相互作用的影响,道砟振动加速度会出现突变。道床离散元模型能合理反映道砟颗粒的振动响应特性,道床块模型体现了道床层在有砟轨道结构中的动力传递与减振特性,两种道床模型的计算结果具有一定的相似性。     

Stochastic sensitivity analysis of coupled acoustic-structural systems under non-stationary random excitations

This paper presents a new sensitivity analysis method for coupled acoustic–structural systems subjected to non-stationary random excitations. The integral of the response power spectrum density (PSD) of the coupled system is taken as the objective function. The thickness of each structural element is used as a design variable. A time-domain algorithm integrating the pseudo excitation method (PEM), direct differentiation method (DDM) and high precision direct (HPD) integration method is proposed for the sensitivity analysis of the objective function with respect to design variables. Firstly, the PEM is adopted to transform the sensitivity analysis under non-stationary random excitations into the sensitivity analysis under pseudo transient excitations. Then, the sensitivity analysis equation of the coupled system under pseudo transient excitations is derived based on the DDM. Moreover, the HPD integration method is used to efficiently solve the sensitivity analysis equation under pseudo transient excitations in a reduced-order modal space. Numerical examples are presented to demonstrate the validity of the proposed method.     

交通载荷作用下跨海桥梁-电缆组合结构随机振动分析

电缆沿桥跨海铺设是海缆铺设的一种新的形式, 针对由汽车和列车交通载荷诱发的沿跨海桥梁敷设电缆的振动问题, 建立了桥梁-电缆的整体组合结构分析模型, 将汽车和列车的作用载荷简化为移动的随机集中载荷序列, 发展虚拟激励法(pseudo-excitation method, PEM)用于分析移动随机载荷作用下电缆位移和应力响应的标准差及演变功率谱 (power spectral density, PSD), 并研究了汽车和列车运行速度对电缆动力响应标准差的影响. PEM将移动随机载荷问题转化为特定频率简谐移动载荷作用下的动力响应分析, 能够计算得到与Monte Carlo (MC) 方法非常吻合的电缆动力响应标准差, 但所需的时域响应分析次数远少于MC方法. 数值结果表明, 随着汽车和列车运行速度的提升, 电缆位移和应力标准差呈现增大的趋势; 在汽车和列车交通载荷作用下, 铝护套的位移标准差和功率谱的值比缆芯要大, 这可能会使得电缆的疲劳破坏首先发生在铝护套层, 本文工作对电缆沿桥跨海铺设实际工程具有一定的借鉴意义.      

风致复杂结构随机振动分析的一种快速算法——谐波激励法

传统完全二次型组合(CQC)在计算复杂结构随机振动响应时存在计算量巨大的问题,尽管虚拟激励法(PEM)在确保计算精度和CQC方法相同的基础上提高了计算速度,使得复杂结构随机响应的进行分析成真正应用于工程实际,但PEM需要对激励的谱矩阵进行分解,对于处理多点随机激励问题依然比较烦琐。本文从周期图方法计算随机信号功率谱密度出发,提出了一种不需要进行谱矩阵分解即可进行结构随机振动分析的快速算法——谐波激励法,它在理论上和CQC方法同样具有相同精度,计算速度要快于已有的方法,并且由于不需要直接计算激振力的功率谱密度矩阵,因而降低了对内存的需求,算例表明本文方法的有效性。文中对不同方法的适应性也进行了讨论。     

车-桥系统耦合振动响应的简便计算

依据振动理论推导出了二自由度模型车辆与桥梁系统竖向耦合振动微分方程，采用模态分析的离散化方法，将复杂的偏微分方程问题转化为变系数常微分方程问题，并将微分方程数值积分的Runge-Kutta方法引入到该时变系统的振动响应计算中，使复杂的耦合响应问题得到简便的解决。通过算例验证了该方法的有效性和简便性。该方法只需要直接数值积分，具有公式简单，编程方便，计算速度快等优点，特别适合于工程实际问题的计算，并且不仅适用于匀速运动车辆，也适用于变速运动车辆。     

随机振动问题的广义坐标合成法

工程中的随机振动分析多采用完全二次型组合法(CQC)及其改进算法,如虚拟激励法(PEM)和谐波激励法(HEM)。广义坐标合成法(GCS)提出了一种计算随机响应的新思路,其基本原理是将物理空间的计算转移到自由度较小的振型空间进行,从而缩减了计算量和计算规模。对于较大规模结构体系的随机振动问题,GCS方法计算响应协方差矩阵的计算量只相当于PEM的2r/sT,其中s、r和T分别为激励功率谱矩阵的秩、振型总数和离散频率点数。此外,对于给定激励时程的问题,由于GCS方法直接求解广义坐标运动方程,因而可以方便得出响应时程。通过对几种方法的详细对比,说明对于大多数只需要求解响应方差的随机振动问题,GCS是最优的计算方法。PEM只有在s相似文献