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.      

轨下支承失效对直线轨道动态响应的影响

建立了基于Timoshenko梁模型的车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨下支承失效对直线轨道动态响应的影响. 钢轨被视为连续弹性离散点支承上的无限长Timoshenko梁,通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟轨下支承失效状态. 推导了考虑钢轨横向、垂向和扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式. 利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力. 采用移动轨下支承模型的车辆/轨道耦合系统激振模式,考虑轨枕离散支承对系统动力响应的影响. 通过新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程,由数值分析计算得到不同轨下支承失效状态下直线轨道的动态响应. 结果表明,轨下支承失效对直线轨道变形及加速度有显著的影响,随着失效轨下支承个数的增加,轮轨相互作用力和轨道部件的位移、加速度将会急剧增大,将加速失效区段线路状况的恶化.      

旋转三角形绳系卫星编队系统动态稳定性分析

本文研究了平动点附近的旋转三角形绳系卫星编队系统的动态稳定性问题.为了便于分析,假设系绳始终保持张紧状态,且不计系绳的质量.为了建立更加符合实际的数学模型,考虑了姿态运动和轨道运动的相互影响,即姿轨耦合,并在此基础上推导出了考虑姿轨耦合的非线性动力学方程.最后用数值方法模拟了在不同的旋转速度情况下系统的动态稳定性,模拟结果表明旋转速率越大系统稳定性越好.     

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.     

基于对称性的三维车辆轨道耦合系统随机振动虚拟激励方法

基于结构的对称性提出了用于三维车辆轨道耦合系统高效随机动力响应分析的虚拟激励方法.车辆采用刚体动力学模型,轨道结构利用三维轨道广义单元建模,车辆与轨道通过线性轮轨关系耦合.采用虚拟激励法将高低、方向和水平三类轨道不平顺转化为一系列筒谐的虚拟不平顺;考虑车辆及轨道结构的对称性,分别推导了耦合系统的对称和反对称凝聚矩阵,提出了用于车辆轨道耦合系统动力响应计算的自由度凝聚方法,将耦合系统的自由度缩减至原来的一半以下,并在此基础上实现了耦合系统随机振动的高效分析.数值算例将本文方法与传统有限元方法进行对比,验证了本文方法的正确性和有效性.     

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。     

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。     

随机不平顺激励下磁浮车辆轨道梁动力响应

建立了高速常导磁浮交通车辆轨道梁空间耦合模型，探讨了合理的磁浮线路功率谱形 式，利用分离迭代的数值积分方法求解了大规模非线性耦合动力方程. 利用计算结果分析了 随机不平顺对系统动力学指标影响规律，并采用功率谱密度曲线进行了谱分析，得到了高速 磁浮交通车梁耦合系统随机振动的基本规律.     

单轨火箭橇靴-轨冲击响应传递特性研究

单轨火箭橇靴-轨的冲击响应是影响其运动过程中系统稳定性的主要问题。本文以单轨火箭橇为研究对象,采用有限元结构动力学仿真分析方法建立了非线性火箭橇-轨道耦合动力学模型;对比分析了理想平直轨和不平顺轨两种轨道模型条件下滑靴、卡环、发动机的振动量变化,并进行了火箭橇的试验验证和数据对比。结果表明:不平顺轨道对火箭橇靴-轨冲击响应振动加速度均方根值的影响大于理想平直轨道,滑靴处二者最大偏差为3～5倍,且随机振动特性显著;最大速度时刻的靴-轨冲击预测结果与实测值在侧向和竖向振动趋势上具有很好的一致性。研究结果为火箭橇结构优化设计及稳定性分析提供了理论依据和技术保障。     

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-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.     

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.      

Dynamic model of vertical vehicle-subgrade coupled system under secondary suspension

As it is known, track transportation can be divided into track system above and track system below. While the train is moving, the parts above and below are interacted and influenced. Therefore, in fact, the problem of track transportation is the match between the vehicle and the railway line system. In this paper, on a basis of dynamic analysis of the vehicle-subgrade model of vertical coupled system under primary suspension, utilizing track maintenance standard and simulating track irregularity excitation, the dynamic interaction of vehicle-track-subgrade system is researched in theory and dynamic model of the vertical vehicle-track-subgrade coupled system under secondary suspension is established by compatibility condition of deformation. Even this model considers the actual structure of a vehicle, also considers vibration characteristic of the substructure of track including subgrade and foundation. All these work want to be benefit for understanding and design about the dynamic characters of subgrade in high speed railway.     

秦沈客运专线高速列车构架蛇行波标准差的试验研究

国内外大多采用轨道横向不平顺作为列车—桥梁(轨道)时变系统横向振动的激振源。实际上，引起此系统横向振动的因素很多，诸如轨道横向不平顺、车轮踏面锥度、轮轨缺陷、车轮与钢轨的制造误差、车辆质量及其载重的偏心等。仅仅考虑轨道横向不平顺，会忽略其他很多因素的影响。相反，机车车辆构架蛇行波反映了引起此系统横向振动所有因素的影响，同时还反映了轮轨实际接触状态。研究证明，构架蛇行波标准差是输入此系统横向振动的能量，因此，有关它的研究十分重要。本文根据秦沈客运专线高速列车(中华之星)构架蛇行波现场测试结果，采用工程概率数值分析方法，对高速列车构架蛇行波标准差进行了统计分析，得出具有99％概率水平的高速列车构架蛇行波标准差与车速的关系曲线，为高速列车—桥梁(轨道)时变系统横向振动随机分析激振源的确定提供了基础资料；同时还列出了具有代表性的高速列车构架蛇行波实测波形图。     

车致桥梁支座动反力频谱特性及影响因素研究

建立频域内的车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学模型,包括1/8车辆模型和CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道-桥梁-支座模型两部分,以快速求解100Hz以内的桥梁支座动反力。将CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道-桥梁-支座模型简化为4层叠合梁,采用Euler梁模拟钢轨、轨道板、底座板和箱梁,采用具有复刚度的弹簧模拟扣件、CA砂浆层、滑动层和桥梁支座。以32m简支桥梁为研究对象,分析了支座动反力的频谱特性,并讨论了轨道不平顺、扣件刚度和支座刚度对支座动反力的影响规律。结果表明:支座动反力在车轮-轨道系统的固有频率附近出现峰值;轨道不平顺幅值在很大程度上决定了支座动反力幅值,其峰值频率点在支座动反力曲线上得以体现;扣件刚度降低可一定程度上减小轮轨力及支座反力峰值、频段幅值及峰值频率;支座刚度降低可以减小支座反力幅值,同时降低峰值频率,其主要通过改变轨道-桥梁耦合系统的频响特性实现,而轮轨力基本不受其影响。     

Geometry and differentiability requirements in multibody railroad vehicle dynamic formulations

The dynamic equations of multibody railroad vehicle systems can be formulated using different sets of generalized coordinates; examples of these sets of coordinates are the absolute Cartesian and trajectory coordinates. The absolute coordinate based formulations do not require introducing an intermediate track coordinate system since all the absolute coordinates are defined in the global system. On the other hand, when the trajectory coordinates are used, a track coordinate system that follows the motion of a body in the railroad vehicle system is introduced. This track coordinate system is defined by the track geometry and the distance traveled by the body along the track centerline. The configuration of the body with respect to the track coordinate system is defined using five coordinates; two translations and three Euler angles. In this paper, the formulations based on the absolute and trajectory coordinates are compared. It is shown that these two sets of coordinates require different degrees of differentiability and smoothness. When an elastic contact formulation is used to study the wheel/rail dynamic interaction, there are significant differences in the order of the derivatives required in both formulations. In fact, as demonstrated in this study, in the absence of a contact constraint formulation, higher order derivatives with respect to geometric parameters are still required when the equations are formulated using the trajectory coordinates. The formulation of the constraints used in the analysis of the wheel/rail contact is discussed and it is shown that when the absolute coordinates are used, only third order derivatives need to be evaluated. The relationship between the track frame used in railroad vehicle dynamics and the Frenet frame used in the theory of curves to describe the curve geometry is also discussed in this paper. Based on the analysis presented in this paper, the advantages and drawbacks of a hybrid method which employs both the absolute and trajectory coordinates and planar contact conditions in order to reduce the number of contact constraints and relax the differentiability requirements are discussed. In this method, the absolute coordinates are used to formulate the equations of motion of the railroad vehicle system. The absolute coordinate solution can be used to determine the trajectory coordinates and their time derivatives. Using the trajectory coordinates, the motion of the body in the vehicle with respect to the track coordinate system can be predicted and used in the formulation of the planar contact model.     

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．