對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件

對線路系統(tǒng)動力學(xué)

研究方向及方法的思考對線路系統(tǒng)動力學(xué)

研究方向及方法的思考1目錄研究背景目前的研究方法及存在的問題今后的研究思路及方向目錄研究背景2研究背景新建高速鐵路或客運(yùn)專線建設(shè)帶來的問題路基合理動剛度及動剛度匹配：

剛度過小，引發(fā)軌道不平順；剛度過大，路基、軌道、車輛系統(tǒng)振動加劇，且設(shè)計、施工要求嚴(yán)格；過大過小都不利于高速行車及各部件的使用壽命，應(yīng)與高速車輛、軌道系統(tǒng)相匹配的路基合理剛度。研究背景新建高速鐵路或客運(yùn)專線建設(shè)帶來的問題3線路縱向剛度匹配問題（包括過渡段）：綜合剛度平順過渡；沉降差引起軌面的彎折線路縱向剛度匹配問題（包括過渡段）：4對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件5無碴軌道系統(tǒng)各部分動剛度合理匹配、平順過渡（包括橫向、縱向）軌道板的動力性能及疲勞、裂縫等無碴軌道6既有線提速鐵路技術(shù)條件

合理的技術(shù)條件（既有線路基千差萬別）利用已有資料（特別是軌道不平順值）對現(xiàn)有軌下系統(tǒng)的評價

既有線提速鐵路技術(shù)條件7合理的線路養(yǎng)護(hù)維修周期及服務(wù)壽命的預(yù)測

道床的動力性能：運(yùn)量、列車荷載作用下道床的動力性能變化、破碎率、永久變形等；路基的動力性能（包括動剛度、永久變形）隨運(yùn)量等的變化合理的線路養(yǎng)護(hù)維修周期及服務(wù)壽命的預(yù)測8軌道交通對環(huán)境的影響鄰近施工對既有線、既有線運(yùn)營對新線、運(yùn)營后的相互影響；軌道交通運(yùn)營對地面結(jié)構(gòu)物或周圍結(jié)構(gòu)物的影響軌道交通對環(huán)境的影響9目前的研究方法“車輛動力學(xué)”、“軌道動力學(xué)”、“輪軌相互作用”、“路基動力學(xué)”等目前的研究方法“車輛動力學(xué)”、“軌道動力學(xué)”、“輪軌相互作用10線路(軌道)系統(tǒng)垂向振動分析模型(軌道動力學(xué))

分布參數(shù)模型彈性連續(xù)支承梁軌道模型、彈性點(diǎn)支承梁軌道模型；其中又分為Euler梁或Timonshenkc梁、單層支承梁或多層支承梁等模型。集總參數(shù)模型單自由度軌道模型，雙自由度模型和多自由度模型線路(軌道)系統(tǒng)垂向振動分析模型(軌道動力學(xué))分布參數(shù)模型11分布參數(shù)模型1彈性連續(xù)支承梁軌道模型將鋼軌當(dāng)作無限長Euler梁，軌下基礎(chǔ)不計質(zhì)量，簡化為連續(xù)的彈簧，并符合Winkler假設(shè)

分布參數(shù)模型1彈性連續(xù)支承梁軌道模型將鋼軌當(dāng)作無限長E12考慮軌下基礎(chǔ)的參振質(zhì)量及阻尼考慮軌下基礎(chǔ)的參振質(zhì)量及阻尼13對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件14對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件15對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件16對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件172彈性點(diǎn)支承梁軌道模型2彈性點(diǎn)支承梁軌道模型18對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件19對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件20對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件21對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件22集總參數(shù)模型依據(jù)一定的等效性變換原則，可將一個具有復(fù)雜分散參數(shù)體系的軌道結(jié)構(gòu)，簡化成一個具有少數(shù)自由度的質(zhì)量一彈簧一阻尼集總參數(shù)模型。常用的等效性變換原則有兩種。其一是用軌道結(jié)構(gòu)的實測自振頻率來推算等效質(zhì)量和等效彈簧剛度，用軌道結(jié)構(gòu)的實測幅頻響應(yīng)的對數(shù)衰減減率來推算等效阻尼系數(shù)其二是在確定等效質(zhì)量時，要求彈性地基梁分布質(zhì)量的動能與集總質(zhì)量的動能相等，在確定等效彈簧剛度時，要求荷載作用點(diǎn)下彈性地基梁的靜撓度與集總參數(shù)模型的靜撓度相等集總參數(shù)模型依據(jù)一定的等效性變換原則，可將一個具有復(fù)雜分散23單輪對軌道模型車輛被簡化為單輪對的集總參數(shù)模型(2自由度)，考慮了車輛的一系懸掛特性，以及簧上和簧下的質(zhì)量;軌道被簡化為單自由度的集總參數(shù)模型，只考慮了軌下的等效剛度和阻尼，以及鋼軌的等效質(zhì)量。單輪對軌道模型車輛被簡化為單輪對的24模型中，車輛被簡化為轉(zhuǎn)向架的集總參數(shù)模型(5自由度)，考慮了車輛的二系懸掛特性，以及車體(半車)、構(gòu)架和簧下的質(zhì)量:軌道被簡化為2自由度的集總參數(shù)模型，只考慮了軌下的等效剛度和阻尼，以及鋼軌的等效質(zhì)量。模型中，車輛被簡化為25多自由度軌道模型多自由度軌道模型多自由度軌道模型模型中，車輛被簡化為整車的集總參數(shù)模型(10自由度)，考慮了車輛的二系懸掛特性，以及車體、構(gòu)架和簧下的質(zhì)量;軌道被簡化為12自由度的集總參數(shù)模型，考慮了軌下膠墊、枕下道床及基床的等效剛度和阻尼，以及鋼軌、軌枕和道床的等效質(zhì)量。多自由度軌道模型多自由度軌道模型多自由度軌道模型模型中，26車輛系統(tǒng)垂向振動分析模型研究車體的運(yùn)行品質(zhì)、脫軌安全性、抗傾覆性、直線運(yùn)行穩(wěn)定性和曲線通過性能等問題將車體及其裝載、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及其上安裝部件、輪對及其裝備視為剛體，將車輛系統(tǒng)描述成多剛體系統(tǒng)進(jìn)行振動分析車輛系統(tǒng)垂向振動分析模型研究車體的運(yùn)行品質(zhì)、脫軌安全性、抗傾27單自由度簡化模型不計車輛的懸掛特性，將車輛系統(tǒng)的質(zhì)量集中分配到相應(yīng)輪對上，只考慮輪對的沉浮振動。單自由度簡化模型不計車輛的懸掛特性，將車輛系統(tǒng)的質(zhì)量集中分28考慮一系懸掛特性，考慮輪對和簧上質(zhì)量的沉浮振動

考慮一系懸掛特性，考慮輪對和簧上質(zhì)量的沉浮振動292轉(zhuǎn)向架半車模型（考慮輪對的沉浮振動，以及簧上質(zhì)量的沉浮和點(diǎn)頭振動。）

2轉(zhuǎn)向架半車模型（考慮輪對的沉浮振動，以及簧上質(zhì)量的沉浮和30對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件313整車詳細(xì)模型（可考慮輪對的沉浮振動，以及車體的沉浮和點(diǎn)頭振動）

3整車詳細(xì)模型（可考慮輪對的沉浮振動，以及車體的沉浮和點(diǎn)頭振32對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件33對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件34車輛與線路系統(tǒng)垂向振動分析模型

將己有的車輛系統(tǒng)的垂向振動分析模型與線路系統(tǒng)的垂向振動分析模型進(jìn)行不同的組合，即可構(gòu)成種類繁多、復(fù)雜程度各異的輪軌動力分析模型，能適應(yīng)不同分析目的的需要。車輛與線路系統(tǒng)垂向振動分析模型將己有的車輛系統(tǒng)的垂向振動分35對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件36路基動力學(xué)分析方法將列車荷載模擬為簡化的函數(shù)形式，直接施加與軌道上或道床上，甚至路基面上李軍世：將列車荷載簡化成一個包含振幅和頻率的指數(shù)函數(shù)形式，并通過Fourier級數(shù)反映不同輪組在不同時刻、不同位置處的情形

潘昌實等：用一個激振力函數(shù)模擬列車動荷載，它由一系列正弦函數(shù)疊加而成蔡英等：采用一與軌道不平順管理標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的激振力來模擬列車豎向動荷載路基動力學(xué)分析方法將列車荷載模擬為簡化的函數(shù)形式，直接施加與37采用車輛系統(tǒng)或線路系統(tǒng)其得動輪載，以此為輸入

采用車輛系統(tǒng)或線路系統(tǒng)其得動輪載，以此為輸入38北方交大（張鴻儒）北方交大（張鴻儒）39對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件40對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件41西南交大（梁波）西南交大（梁波）42對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件43對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件44Geotrack模型（靜態(tài)）三維模型梁單元表示鋼軌，軌枕路基土為垂向分層的半無限體Geotrack模型（靜態(tài)）三維模型45Kuang-HanChu模型：軌枕反力倒作用于路基上Kuang-HanChu模型：軌枕反力倒作用于路基上46三維空間時變耦合分析模型西南交通大學(xué)蘇謙路基、道床部分采用空間有限元進(jìn)行離散軌道結(jié)構(gòu)考慮為點(diǎn)支撐的Euler梁車輛為空間半車模型系統(tǒng)各部分之間的耦合作用通過輪軌接觸、軌枕接觸和枕路接觸面實現(xiàn)只考慮車輛豎向振動的影響三維空間時變耦合分析模型西南交通大學(xué)蘇謙47車與輪軌接觸采用Herz理論鋼軌與軌枕用彈簧、阻尼連接車與輪軌接觸采用Herz理論48對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件49對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件50對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件51其他的研究方法對動力計算方程、邊界進(jìn)行函數(shù)變換，通過振型疊加進(jìn)行求解；移動荷載的影響考慮（均質(zhì)、飽和土研究較多）；波的傳播理論，通過引入波傳導(dǎo)單元和完全的能量傳遞邊界，利用波的可迭加性

其他的研究方法對動力計算方程、邊界進(jìn)行函數(shù)變換，通過振型疊加52今后的研究思路及方法針對不同的問題，建立合理的簡化模型，并隨著認(rèn)識的深入和條件的許可，逐步增加考慮的因數(shù)，完善分析模型；完善我們原有的計算分析方法，包括平面、三維及移動性土體的非線性、阻尼特性；荷載模擬的準(zhǔn)確性（已有輪軌力計算程序的使用、試驗數(shù)據(jù)的函數(shù)模擬）細(xì)化道床的模擬，邊界的處理（粘性邊界、投射邊界？），計算參數(shù)的確定，道床與軌枕的接觸狀態(tài)今后的研究思路及方法針對不同的問題，建立合理的簡化模型，并隨53過軸頻率、轉(zhuǎn)向架通過頻率、列車通過頻率過軸頻率、轉(zhuǎn)向架通過頻率、列車通過頻率54以豎向振動為主，建立車輛、軌道、路基的耦合分析計算方法及程序（簡化車體、細(xì)化道床及路基）對道床、土體的動力特性進(jìn)行深入研究，包括動剛度、動阻尼的非線性，基床土體（包括不同填料、不同壓實度）的永久變形估算方法及公式根據(jù)已有數(shù)據(jù)對路基動力計算參數(shù)的識別，特別是針對既有線以豎向振動為主，建立車輛、軌道、路基的耦合分析計算方法及程序55對無碴軌道合理基礎(chǔ)剛度進(jìn)行研究振動對周圍環(huán)境的影響（地鐵）相互影響對不同類型建筑物的影響?zhàn)B護(hù)維修周期及標(biāo)準(zhǔn)

對無碴軌道合理基礎(chǔ)剛度進(jìn)行研究56

對線路系統(tǒng)動力學(xué)

研究方向及方法的思考對線路系統(tǒng)動力學(xué)

研究方向及方法的思考57目錄研究背景目前的研究方法及存在的問題今后的研究思路及方向目錄研究背景58研究背景新建高速鐵路或客運(yùn)專線建設(shè)帶來的問題路基合理動剛度及動剛度匹配：

剛度過小，引發(fā)軌道不平順；剛度過大，路基、軌道、車輛系統(tǒng)振動加劇，且設(shè)計、施工要求嚴(yán)格；過大過小都不利于高速行車及各部件的使用壽命，應(yīng)與高速車輛、軌道系統(tǒng)相匹配的路基合理剛度。研究背景新建高速鐵路或客運(yùn)專線建設(shè)帶來的問題59線路縱向剛度匹配問題（包括過渡段）：綜合剛度平順過渡；沉降差引起軌面的彎折線路縱向剛度匹配問題（包括過渡段）：60對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件61無碴軌道系統(tǒng)各部分動剛度合理匹配、平順過渡（包括橫向、縱向）軌道板的動力性能及疲勞、裂縫等無碴軌道62既有線提速鐵路技術(shù)條件

合理的技術(shù)條件（既有線路基千差萬別）利用已有資料（特別是軌道不平順值）對現(xiàn)有軌下系統(tǒng)的評價

既有線提速鐵路技術(shù)條件63合理的線路養(yǎng)護(hù)維修周期及服務(wù)壽命的預(yù)測

道床的動力性能：運(yùn)量、列車荷載作用下道床的動力性能變化、破碎率、永久變形等；路基的動力性能（包括動剛度、永久變形）隨運(yùn)量等的變化合理的線路養(yǎng)護(hù)維修周期及服務(wù)壽命的預(yù)測64軌道交通對環(huán)境的影響鄰近施工對既有線、既有線運(yùn)營對新線、運(yùn)營后的相互影響；軌道交通運(yùn)營對地面結(jié)構(gòu)物或周圍結(jié)構(gòu)物的影響軌道交通對環(huán)境的影響65目前的研究方法“車輛動力學(xué)”、“軌道動力學(xué)”、“輪軌相互作用”、“路基動力學(xué)”等目前的研究方法“車輛動力學(xué)”、“軌道動力學(xué)”、“輪軌相互作用66線路(軌道)系統(tǒng)垂向振動分析模型(軌道動力學(xué))

分布參數(shù)模型彈性連續(xù)支承梁軌道模型、彈性點(diǎn)支承梁軌道模型；其中又分為Euler梁或Timonshenkc梁、單層支承梁或多層支承梁等模型。集總參數(shù)模型單自由度軌道模型，雙自由度模型和多自由度模型線路(軌道)系統(tǒng)垂向振動分析模型(軌道動力學(xué))分布參數(shù)模型67分布參數(shù)模型1彈性連續(xù)支承梁軌道模型將鋼軌當(dāng)作無限長Euler梁，軌下基礎(chǔ)不計質(zhì)量，簡化為連續(xù)的彈簧，并符合Winkler假設(shè)

分布參數(shù)模型1彈性連續(xù)支承梁軌道模型將鋼軌當(dāng)作無限長E68考慮軌下基礎(chǔ)的參振質(zhì)量及阻尼考慮軌下基礎(chǔ)的參振質(zhì)量及阻尼69對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件70對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件71對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件72對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件732彈性點(diǎn)支承梁軌道模型2彈性點(diǎn)支承梁軌道模型74對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件75對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件76對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件77對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件78集總參數(shù)模型依據(jù)一定的等效性變換原則，可將一個具有復(fù)雜分散參數(shù)體系的軌道結(jié)構(gòu)，簡化成一個具有少數(shù)自由度的質(zhì)量一彈簧一阻尼集總參數(shù)模型。常用的等效性變換原則有兩種。其一是用軌道結(jié)構(gòu)的實測自振頻率來推算等效質(zhì)量和等效彈簧剛度，用軌道結(jié)構(gòu)的實測幅頻響應(yīng)的對數(shù)衰減減率來推算等效阻尼系數(shù)其二是在確定等效質(zhì)量時，要求彈性地基梁分布質(zhì)量的動能與集總質(zhì)量的動能相等，在確定等效彈簧剛度時，要求荷載作用點(diǎn)下彈性地基梁的靜撓度與集總參數(shù)模型的靜撓度相等集總參數(shù)模型依據(jù)一定的等效性變換原則，可將一個具有復(fù)雜分散79單輪對軌道模型車輛被簡化為單輪對的集總參數(shù)模型(2自由度)，考慮了車輛的一系懸掛特性，以及簧上和簧下的質(zhì)量;軌道被簡化為單自由度的集總參數(shù)模型，只考慮了軌下的等效剛度和阻尼，以及鋼軌的等效質(zhì)量。單輪對軌道模型車輛被簡化為單輪對的80模型中，車輛被簡化為轉(zhuǎn)向架的集總參數(shù)模型(5自由度)，考慮了車輛的二系懸掛特性，以及車體(半車)、構(gòu)架和簧下的質(zhì)量:軌道被簡化為2自由度的集總參數(shù)模型，只考慮了軌下的等效剛度和阻尼，以及鋼軌的等效質(zhì)量。模型中，車輛被簡化為81多自由度軌道模型多自由度軌道模型多自由度軌道模型模型中，車輛被簡化為整車的集總參數(shù)模型(10自由度)，考慮了車輛的二系懸掛特性，以及車體、構(gòu)架和簧下的質(zhì)量;軌道被簡化為12自由度的集總參數(shù)模型，考慮了軌下膠墊、枕下道床及基床的等效剛度和阻尼，以及鋼軌、軌枕和道床的等效質(zhì)量。多自由度軌道模型多自由度軌道模型多自由度軌道模型模型中，82車輛系統(tǒng)垂向振動分析模型研究車體的運(yùn)行品質(zhì)、脫軌安全性、抗傾覆性、直線運(yùn)行穩(wěn)定性和曲線通過性能等問題將車體及其裝載、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及其上安裝部件、輪對及其裝備視為剛體，將車輛系統(tǒng)描述成多剛體系統(tǒng)進(jìn)行振動分析車輛系統(tǒng)垂向振動分析模型研究車體的運(yùn)行品質(zhì)、脫軌安全性、抗傾83單自由度簡化模型不計車輛的懸掛特性，將車輛系統(tǒng)的質(zhì)量集中分配到相應(yīng)輪對上，只考慮輪對的沉浮振動。單自由度簡化模型不計車輛的懸掛特性，將車輛系統(tǒng)的質(zhì)量集中分84考慮一系懸掛特性，考慮輪對和簧上質(zhì)量的沉浮振動

考慮一系懸掛特性，考慮輪對和簧上質(zhì)量的沉浮振動852轉(zhuǎn)向架半車模型（考慮輪對的沉浮振動，以及簧上質(zhì)量的沉浮和點(diǎn)頭振動。）

2轉(zhuǎn)向架半車模型（考慮輪對的沉浮振動，以及簧上質(zhì)量的沉浮和86對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件873整車詳細(xì)模型（可考慮輪對的沉浮振動，以及車體的沉浮和點(diǎn)頭振動）

3整車詳細(xì)模型（可考慮輪對的沉浮振動，以及車體的沉浮和點(diǎn)頭振88對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件89對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件90車輛與線路系統(tǒng)垂向振動分析模型

將己有的車輛系統(tǒng)的垂向振動分析模型與線路系統(tǒng)的垂向振動分析模型進(jìn)行不同的組合，即可構(gòu)成種類繁多、復(fù)雜程度各異的輪軌動力分析模型，能適應(yīng)不同分析目的的需要。車輛與線路系統(tǒng)垂向振動分析模型將己有的車輛系統(tǒng)的垂向振動分91對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件92路基動力學(xué)分析方法將列車荷載模擬為簡化的函數(shù)形式，直接施加與軌道上或道床上，甚至路基面上李軍世：將列車荷載簡化成一個包含振幅和頻率的指數(shù)函數(shù)形式，并通過Fourier級數(shù)反映不同輪組在不同時刻、不同位置處的情形

潘昌實等：用一個激振力函數(shù)模擬列車動荷載，它由一系列正弦函數(shù)疊加而成蔡英等：采用一與軌道不平順管理標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的激振力來模擬列車豎向動荷載路基動力學(xué)分析方法將列車荷載模擬為簡化的函數(shù)形式，直接施加與93采用車輛系統(tǒng)或線路系統(tǒng)其得動輪載，以此為輸入

采用車輛系統(tǒng)或線路系統(tǒng)其得動輪載，以此為輸入94北方交大（張鴻儒）北方交大（張鴻儒）95對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件96對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件97西南交大（梁波）西南交大（梁波）98對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件99對線路系統(tǒng)動力學(xué)課件100Geotrack模型（靜態(tài)）三維模型梁單元表示鋼軌，軌枕路基土為垂向分層的半無限體Geotrack模型（靜態(tài)）三維模型101Kuang-HanChu模型：軌枕反力倒作用于路基上Kuang-HanChu模型：軌枕反力倒作用于路基上102三維空間時變耦合分析模型西南交通大學(xué)蘇謙路基、道床部分采用空間有限元進(jìn)行離散軌道結(jié)構(gòu)考慮為點(diǎn)支撐的Euler梁車輛為空間半車模型系統(tǒng)各部分之間的耦合作用通過輪軌接觸、軌枕接觸和枕路接觸面實現(xiàn)