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车—线—桥耦合系统及车—桥随机振动

晋智斌  
【摘要】: 本文从系统动力学的角度,建立了车-线-桥动力分析理论,并编写了计算程序。通过理论分析与试验对比的方法,对车-线-桥理论进行了验证。围绕轨道不平顺随机激励下的车-桥随机振动问题,提出了一种时变系统随机振动的协方差分析法。最后,考虑桥梁结构参数的随机性,提出了一种考虑桥梁结构参数随机性的车-桥耦合振动的摄动求解方法。分别将车-桥随机振动的协方差分析法和随机摄动法与Monte-Carlo法对比,验证了方法的准确性。本文的主要研究内容如下: (1)建立了车、线、桥动力分析模型,推导了各分体系动力方程。车辆为多刚体系统,采用D’Alembert原理建立其动力方程;轨道结构采用考虑钢轨、轨枕、道碴自由度的三层点支承模型;采用有限元法建立桥梁动力分析模型。 (2)研究车-线-桥动力分析中的轮轨接触几何、轮轨滚动接触理论。引入新型轮轨关系假设,利用迹线法求解轮轨空间几何,并考虑了左右轮轨不均匀压缩以及轮轨脱离情况。采用Hertz理论分析轮轨法向力。推导了轮轨接触蠕滑率的计算公式。对几种重要的蠕滑率/蠕滑力模型进行了总结和比较。 (3)给出了车-线-桥系统动力分析的显式-隐式混合积分法,并编制了车-线-桥耦合振动计算程序。车辆、轨道系统与桥梁系统的动力特征存在较大的差异,采用显式-隐式混合积分方法求解车-线-桥系统动力方程,可在保证精度的前提下提高计算效率。基于车辆、线路和桥梁各分体系的动力方程、轮轨关系和显式隐式混合积分法,在Visual C++平台上开发了车-线-桥耦合振动的分析程序。 (4)通过空重混编列车作用下混凝土连续梁桥的车-线-桥动力响应分析结果与现场实测结果的比较、秦沈客运专线连续梁桥的车-线-桥动力分析与现场试验结果的比较,初步验证了车-线-桥动力分析理论和计算程序的正确性。 (5)提出了车辆-桥梁随机振动的协方差分析法。由白噪声通过成型滤波器得到满足特定谱函数的轨道不平顺输入;成型滤波器系数由宽频带参数识别得出;给出了滤波器参数的速度变换公式。引入时滞系统频响函数的Pade逼近来反应各车轮下轨道不平顺输入间的时间滞后关系。推导了时变系统随机振动的协方差递推求解方法。将车辆-桥梁耦合随机振动的协方差分析法与Monte Carlo模拟法比较验证了协方差递推法的精度。 (6)提出了列车-桥梁垂向随机振动的协方差分析法。针对列车前后轮对下轨道不平顺激励滞后时间过长的问题,提出了反映列车轮对下激励滞后的累次时滞滤波器。建立了列车-桥梁垂向随机振动状态方程模型。除系统位移方差响应外,还给出了加速度方差响应的递推求解格式,并通过与MC模拟法的比较验证了方法的正确性。 (7)将对均值展开的随机摄动法推广到车-桥时变系统,给出了列车-桥梁随机参数结构瞬态随机响应的求解方法。导出了车-桥随机参数时变系统均值摄动法的数值计算格式。通过与Monte Carlo法的比较验证了方法的正确性。最后,研究了桥梁结构参数的随机性对车-桥系统瞬态随机响应的影响。


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