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《北京交通大学》 2012年
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高速铁路高架桥上无砟道岔动力特性研究

辛涛  
【摘要】:我国高速铁路具有无砟轨道为主、高架桥梁众多的特点,随着高速铁路的大规模建设,道岔作为重要的铁路设备,不可避免地设置在高架桥上,形成高架桥上无砟道岔结构体系。当列车高速通过时,车辆、道岔和桥梁之间相互作用、相互影响,构成了高速铁路车辆-无砟道岔-高架桥梁耦合系统(简称为“车岔桥系统”)。该系统不仅综合了无砟轨道、高速道岔、高架桥梁的技术特点,而且衍生出一系列与高速有关的技术难点,是高速铁路亟待解决的关键问题之一。 本论文在对国内外车轨、车岔、车桥、车轨桥等相关动力学研究资料调研分析的基础上,应用多体动力学和有限元方法等相关理论和方法,自主开发了动力仿真计算平台FORSYS,并结合郑西客运专线、京沪高速铁路相关动力测试工作,进行高速铁路高架桥上无砟道岔系统动力特性的理论和试验研究,为高速铁路无砟道岔和高架桥梁的发展应用和动力评估提供一定的理论支撑。本文的主要研究工作如下: (1)开发了新型动力仿真计算平台FORSYS。 常见的商业计算软件和自编程序在进行车辆、轨道和下部结构的建模时都存在一定的不足,如多体动力学仿真软件一般不能进行轨道和下部结构的细致模拟,而有限元分析软件难以进行车辆结构的多体动力学建模;自编程序虽然可以实现多体和有限元的混合建模,但是很难对结构细部进行模拟,且往往工作繁重。针对这些研究手段的不足,本文自主开发了动力仿真计算平台FORSYS。 动力仿真计算平台FORSYS由FORTRAN自编程序模块和ANSYS软件模块组成。其中,ANSYS软件模块主要用于道岔和桥梁结构的有限元建模,FORTRAN自编程序模块主要用于车辆结构的多体动力学建模、轮轨几何接触关系的处理、轮轨相互作用力的计算、系统运动方程的求解等。利用动力仿真计算平台FORSYS,可以实现车辆、道岔和桥梁等结构快速、准确建模,实现车辆模型(多刚体模型)和道岔、桥梁模型(有限元模型)的“刚柔耦合”,弥补了商业软件和自编程序的不足,是一种新型的动力分析手段。 (2)建立了完整细致的高速铁路车辆-道岔-无砟轨道-桥梁耦合系统动力分析模型。 针对高速铁路车辆、无砟道岔和高架桥梁的力学特点,本文利用动力仿真计算平台FORSYS,建立了完善的高速铁路车辆-道岔-无砟轨道-桥梁耦合系统动力分析模型。该系统模型由车辆模型、无砟道岔模型、桥梁模型、车岔作用模型和岔桥作用模型组成。 在系统动力分析模型中,车辆结构离散为车体、转向架和轮对组成的多刚体系统;道岔结构完整地考虑了转辙器、连接部分和辙叉部分的力学特点,考虑了钢轨截面型式的变化,考虑了间隔铁、顶铁、滑床台等部件的非线性作用,实现了无砟轨道的实体建模;桥梁结构实现了按图纸建模,考虑了梁体截面的变化和桥梁支座的影响。 (3)进行高速铁路高架桥上无砟道岔试验研究,对高速铁路车辆-道岔-无砟轨道-桥梁耦合系统动力分析模型进行验证。 在郑西客运专线渭南北站和京沪高速铁路徐州东站,进行桥上无砟道岔的现场动测工作。主要对车辆过岔时的轮轨垂横向力,钢轨动位移、振动加速度、动弯应力,轨道板振动加速度,桥梁的振动加速度及挠度等进行了测试。 通过对测试数据的分析,对轮轨相互作用、车辆运行的安全平稳性、道岔和桥梁结构的动力特性进行了评估。将仿真计算结果与现场试验数据进行对比,对本文所建立的高速铁路车辆-道岔-无砟轨道-桥梁耦合系统动力分析模型进行验证。 (4)进行高速铁路车岔桥系统动力特性的仿真研究。 利用高速铁路车辆-道岔-无砟轨道-桥梁耦合系统动力分析模型,从轮轨相互作用、车辆运行的安全平稳性、道岔结构动力特性、桥梁结构动力特性等方面,对车辆直向和侧向过岔时车辆、无砟道岔和高架桥梁的动力特性进行研究。 (5)进行高速铁路车岔桥系统动力参数的影响规律研究。 利用高速铁路车辆-道岔-无砟轨道-桥梁耦合系统动力分析模型,对车辆、道岔、桥梁相关动力参数的影响规律进行研究,为高速铁路道岔和桥梁结构的优化设计和应用发展提供一定的理论支撑。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:U213.6

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