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轨道车辆与隧道耦合振动数值模拟方法及应用

曹露芬  
【摘要】:中国城市轨道交通的发展进入了快速发展期,大量的轨道车辆穿越地下隧道,使得轨道车辆与隧道的动力相互作用问题越来越受到人们的重视。一方面,高速运行的车辆对其通过的隧道结构产生动力冲击作用,可能使隧道衬砌等结构产生疲劳,降低其强度和稳定性;另一方面,车-隧耦合产生的振动又对轨道车辆的平稳性和安全性产生影响。因此,对轨道车辆与隧道进行动态响应分析,掌握其动态响应特性是十分必要的。本文基于三维非线性建模及并行计算技术,对轨道车辆与隧道动态耦合振动进行数值模拟研究。本文的主要研究内容包括: 研究车-隧动态耦合振动数值模拟的基本理论。考虑到大型隧道结构的几何非线性和车-隧之间的动力相互作用关系,从数值分析的理论角度出发,研究了几何非线性分析的计算方法以及动态接触的计算理论,为车-隧耦合振动动态响应的求解提供理论依据。在对几何非线性有限元方程求解时,采用显式中心差分算法;采用基于段的接触搜索方式,以及对称罚函数方法处理各种接触关系;结合上海超级计算中心曙光5000A计算机的体系结构和轨道车辆运行的特点,采用区域分解方法,运用并行计算理论进行分区计算。 研究大型隧道结构与轨道车辆耦合的全三维非线性精细有限元模型的建模方法。基于拟实建模技术,充分考虑隧道的实际结构特征,建立了包含衬砌、联络通道、变形缝、隧道内部车道板、牛腿,和轨道整体道床等隧道结构。土体采用弹塑性D-P材料模拟,根据真实的地质资料进行了分层,并且考虑了外水压的影响。车辆模型包含轮对、转向架、二级悬架结构和车体。轮-轨、轨道-隧道、隧道-土体等之间的相互作用通过基于罚函数的耦合方式加以实现。 研究初始工况,即在重力和水头压力共同作用下的主体隧道以及联络通道的变形和应力分析。模拟了隧道在非运营状态下的初始形态,并分析其影响因素,包括埋深、水压、轴线走向以及联络通道的存在等。另外初始工况的研究也为其他工况提供了初始条件。 研究无初始应力的耦合振动,分析在轨道车辆行驶过程中,由轨道移动载荷、轨道不平度以及公路车流载荷导致的隧道结构与轨道车辆耦合振动的变化规律及其影响因素,在这种条件下,更能清晰的反映轨道车辆和隧道的耦合作用关系。 研究初始应力条件下的耦合振动,更真实的反映了隧道结构的变形和应力分布规律。以初始工况的结果为初始条件,更加真实和准确的计算了隧道结构在轨道车辆和汽车车流载荷作用下的动力学响应,从而计算隧道结构在耦合振动中的最大动态位移、变形和应力,校核隧道结构是否满足设计要求,为隧道结构的优化设计提供理论基础和参考数据。


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