学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

车—路耦合条件下高速铁路路基及桥路过渡段结构系统动力分析

作　者: 马学宁
导　师: 梁波
学　校: 兰州交通大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 客运专线二系悬挂耦合有砟/无砟轨道路基路桥过渡段动力响应
分类号: U213.1
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 688次
引　用: 3次
阅　读: 论文下载

内容摘要

高速铁路以其速度快、运能大、能耗低、污染轻、占地少以及安全舒适等综合优势,在世界各国得到了迅速发展。但随着列车速度不断提高,随之而来的轮轨系统的动力作用、行车的安全性和舒适性、线路结构的安全性问题也越发突出,而这在我国尚缺乏足够的理论研究和工程实践。本文在简要回顾国内外高速铁路技术发展以及车辆-轨道-路基动力学研究的历史与现状的基础上,建立了整个大系统的耦合分析模型,并对高速铁路有砟轨道/无砟轨道路基结构以及无砟轨道桥路过渡段动力特性进行了数值仿真分析,主要取得了以下几方面的研究成果和结论。(1)建立了二系悬挂条件下车辆-轨道-路基垂向耦合时变分析模型,模型针对列车走形的实际情况,将车辆-轨道-路基系统分为车辆、轨道-路基两个子系统,通过轮轨位移协调相容实现两系统的耦合。以轨道不平顺作为系统激励,采用Newmark-β法对系统运动方程进行求解,得到了影响车辆舒适度与安全性的计算指标,同时,该模型能够充分反映车辆对轨下基础及轨下基础对车辆的相互作用,为更好地解决轨道交通下部结构和上部车辆系统的体系匹配问题提供了分析基础。(2)以前述车-路耦合模型得到的轮轨作用力作为荷载分析前提,建立了有砟轨道/板式无砟轨道-路基三维动力有限元分析模型,考虑了不同单元之间的连接方法,并采用粘-弹性人工边界模拟路基无限边界,还考虑了轨道路基结构材料非线性,借助大型有限元分析软件ANSYS,利用其二次开发功能实现了轨道-路基动力响应的仿真分析。并通过与文献数据及现场测试数据对比验证了模型的正确性和有效性。(3)以客运专线轨道路基参数为基础,利用建立的车辆-有砟轨道-路基动力分析模型,分析了列车速度、轨道不平顺、道床刚度和厚度、基床表层刚度和厚度、路基刚度以及地基刚度对系统动力响应的影响,为客运专线有砟轨道路基的设计和施工提供参考。(4)利用建立的土质路基上板式无砟轨道-路基分析模型,采用高速铁路/客运专线板式无砟轨道的参数,分析了列车速度、轨道不平顺、板式无砟轨道系统动力学参数等对车辆的运行品质、无砟轨道和路基结构的动力响应的影响,为客运专线板式无砟轨道的修建提出了部分轨道、路基参数的合理取值范围。(5)以建立的土路基-刚性基础无砟轨道过渡段动力分析模型为基础,分析了折角不平顺和余弦形不平顺情况下,路桥过渡段动力特性及其对行车性能的的影响,为客运专线无砟轨道路桥过渡段的设计和施工提出了合理的建议。(6)在全面总结论文工作的基础上,提出了本课题有待于进一步研究的若干问题。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-12
1 绪论  12-44
  1.1 研究背景及必要性  12-14
  1.2 国内外研究现状  14-41
    1.2.1 车辆-轨道-路基系统耦合振动  14-23
    1.2.2 车辆动力分析模型  23-25
    1.2.3 无砟轨道结构  25-32
    1.2.4 路基土体动强度和疲劳特性问题  32-35
    1.2.5 土体应力-应变关系研究  35-37
    1.2.6 高速铁路路基变形特性  37-40
    1.2.7 高速铁路路基系统匹配问题  40-41
  1.3 论文的研究意义  41-42
  1.4 本文的主要研究内容和方法  42-44
2 车辆-轨道-路基系统垂向耦合振动模型  44-79
  2.1 引言  44-46
  2.2 轨道-路基、车辆及耦合动力分析模型简介  46-53
    2.2.1 轨道-路基动力学模型  46-50
    2.2.2 车辆动力学分析模型  50-51
    2.2.3 车辆-轨道-路基耦合动力分析模型  51-53
  2.3 车辆(机车)-轨道-路基计算模型及运动方程的建立  53-63
    2.3.1 基本假定及自由度  53-54
    2.3.2 车辆运动方程组  54-57
    2.3.3 轨道及路基模型  57-60
    2.3.4 动力方程的解耦  60-61
    2.3.5 体系动力平衡方程  61-63
  2.4 轨道不平顺及其随机模拟  63-70
    2.4.1 轨道不平顺的类型  63-66
    2.4.2 轨道不平顺的功率谱密度  66-68
    2.4.3 轨道不平顺随机模拟方法  68-70
  2.5 系统振动微分方程的求解方法  70-75
    2.5.1 振动微分方程的求解方法  71-72
    2.5.2 振动微分方程的求解步骤  72
    2.5.3 系统动力响应分析的计算机程序  72-75
  2.6 车辆-轨道-路基模型的理论分析计算及建立的意义  75-78
    2.6.1 系统模型的分析计算指标  75-78
    2.6.2 系统动力模型建立的意义  78
  2.7 小结  78-79
3 有砟轨道/无砟轨道-路基结构动力有限元模型  79-96
  3.1 模型所采用的单元类型  79-83
  3.2 单元耦合(梁单元和弹簧单元的连接)  83-85
  3.3 结构计算边界处理  85-87
  3.4 轨道-路基有限元分析模型  87-92
    3.4.1 有砟轨道结构动力学仿真模型  89-91
    3.4.2 无砟轨道结构动力学仿真模型  91-92
  3.5 各组成部分的本构关系  92-94
  3.6 阻尼处理及运动方程求解  94-95
  3.7 小结  95-96
4 车辆-轨道-路基耦合系统模型验证  96-105
  4.1 车辆-轨道-路基动力学性能的评判标准  96-98
  4.2 模型验证  98-104
    4.2.1 试验条件及计算前提  98
    4.2.2 仿真计算参数的确定  98-101
    4.2.3 列车与线路动力性能评定标准  101
    4.2.4 主要计算结果和测试结果  101-104
  4.3 小结  104-105
5 客运专线有砟轨道-路基耦合系统的仿真研究分析  105-128
  5.1 前言  105
  5.2 计算参数  105-109
    5.2.1 计算参数取值  105-108
    5.2.2 模型计算长度  108-109
  5.3 高速列车-有砟轨道-路基耦合系统动力学性能分析  109-126
    5.3.1 列车速度对系统动力特性的影响  109-114
    5.3.2 轨道不平顺对系统动力特性的影响  114-119
    5.3.3 道床厚度和刚度对系统动力特性的影响  119-121
    5.3.4 基床表层厚度和刚度对系统动力特性的影响  121-124
    5.3.5 路基本体和地基刚度对系统动力特性的影响  124-126
  5.4 小结  126-128
6 客运专线无砟轨道-路基耦合系统的仿真研究分析  128-152
  6.1 概述  128-129
  6.2 计算参数  129-131
  6.3 计算单元及类型  131-132
  6.4 高速列车-无砟轨道-路基耦合系统动力学性能分析  132-150
    6.4.1 列车速度对系统动力特性的影响  132-142
    6.4.2 轨道不平顺对系统动力特性的影响  142-146
    6.4.3 板式轨道设计参数对系统动力特性的影响  146-150
  6.5 小结  150-152
7 客运专线桥路过渡段路基动力特性研究  152-169
  7.1 概述  152-153
  7.2 国内外研究现状  153-155
  7.3 客运专线无砟轨道过渡段主要结构型式和设计参数  155-160
    7.3.1 路基与桥台之间过渡段  156-157
    7.3.2 路基与涵洞过渡段  157-158
    7.3.3 路堑与隧道过渡段  158
    7.3.4 两桥(隧)之间长度小于150m的短路基  158-159
    7.3.5 路堤与路堑过渡段  159
    7.3.6 半填半挖过渡段  159-160
  7.4 无砟轨道路桥过渡段动力分析模型  160-163
    7.4.1 模型的建立  160-162
    7.4.2 过渡段几何不平顺形式  162-163
  7.5 计算结果分析及其性能评价  163-167
    7.5.1 直线形不平顺对过渡段动力学性能的影响  163-166
    7.5.2 余弦形不平顺对过渡段动力学性能的影响  166-167
  7.6 小结  167-169
8 结论及展望  169-173
  8.1 结论  169-171
  8.2 本文主要创新之处  171
  8.3 进一步的研究展望  171-173
致谢  173-174
参考文献  174-186
攻读学位期间的研究成果  186

车—路耦合条件下高速铁路路基及桥路过渡段结构系统动力分析

内容摘要

全文目录

相似论文