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《郑州大学》 2010年
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公路桥梁车桥耦合振动分析

章长玖  
【摘要】: 研究公路桥梁与车辆耦合振动问题具有重要的理论和现实意义。本文将桥梁和车辆视为两个子系统,车辆采用5个自由度的模型,桥梁采用基于梁单元的有限元模型,通过车轮和桥面接触处的几何协调条件和力的平衡条件将两个子系统联系起来;采用三角级数法模拟按国家标准划分的A、B、C和D级路面的不平顺,作为车桥耦合振动的激励输入,根据桥面不平顺及初始条件,形成作用于车辆上的力;采用Newmark-β算法求解车辆系统振动方程,得出车辆的时间~响应序列,并据此形成作用于桥梁上的力。具体实施时,利用有限元软件Ansys的二次开发APDL语言编写了车桥耦合系统迭代计算的命令流,进行车桥耦合系统动力响应计算。本文分析了路面不平顺、车重、车速、车悬架刚度、车悬架阻尼、轮胎刚度、轮胎阻尼、桥梁抗弯刚度、桥梁阻尼比等因素对桥梁动力响应、车辆动力响应、汽车对桥梁的冲击系数、乘客舒适性等的影响,得到如下结论: 1.随着路面等级的降低,桥梁动力响应、车辆动力响应、汽车对桥梁的冲击系数都增大,而乘客的舒适性则急剧降低。 2.随着车速的提高,桥梁跨中动力响应和冲击系数增大,车速对车辆动力响应的影响还与路面状况有关。 3.随着车重的增大,桥梁跨中动力响应先减小后增大;车体竖向振动响应减小。 4.随着车悬架刚度和悬架阻尼的增大,桥梁跨中动力响应、冲击系数增大。 5.随着轮胎刚度的增大,桥梁跨中节点最大动位移、加速度、弯矩的变化趋势为先增大后减小,而跨中最大剪力的变化趋势为增大;除跨中剪力外,桥梁其它跨中动力响应都随轮胎阻尼增大而增加;轮胎刚度和阻尼对冲击系数的影响较小。随着车轮刚度的增大,车体所有动力响应都先减小后增大;随车轮阻尼的增加,汽车所有动力响应都减缓,乘客舒适性有所提高。 6.随桥梁抗弯刚度的增大,桥梁跨中节点动位移和加速度减小,剪力和弯矩增大,汽车对桥梁的冲击系数增加。随着桥梁阻尼比增大,桥梁动力响应均降低,阻尼对汽车冲击系数的影响较小。桥梁抗弯刚度和阻尼对车体动力响应的影响较小,整体趋势是随桥梁抗弯刚度和阻尼的增大,车体动力响应增加,乘客舒适性降低。 本文方法具有很强的通用性,易于考虑复杂车辆和桥梁模型,可以方便进行车桥耦合振动研究。 本文得到了河南省杰出人才计划项目“桥梁健康监测与损伤诊断的整体方法研究”(项目编号:084200510003)的资助。
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