PDF《铁路直线轨道空间振动时变模型》

第5卷第1期2005 年3月交通运输工程学报Journal of T raffic and Transportation Engineering Vol.

5 No.

1 Mar.

2005 收稿日期 : 2004-

11 -

11 作者简介 : 曾志平(1975 - ), 男 ,湖南宁乡人 , 中南大学博士研究生 , 从事列车 - 轨道振动与结构可靠性研究. 文章编号 : 1671- 1637(2005)01 -

0033 -

03 铁路直线轨道空间振动时变模型 曾志平

1 ,陈秀方

1 ,赵国藩

2 (1 . 中南大学 土木建筑学院, 湖南 长沙 410075;

2 . 大连理工大学 土木水利学院, 辽宁 大连 116024) 摘要: 针对无限长轨道上车辆- 轨道耦合振动响应特性, 建立了铁路直线轨道结构空间振动模型. 采用有限单元法 ,将轨枕和钢轨离散为线性粘弹性点支承梁单元 ,运用弹性系统总势能不变值原理 及形成矩阵的 对号入座 法则 ,建立了模型的振动方程组, 采用轨道不断 增加和缩减 方法 ,使得 模型的质量 、 阻尼和刚度矩阵及荷载列阵具有时变特性 .运用既有的车辆动力学模型和实测参数, 计算了轨道长度为

4 km 的车辆- 轨道耦合振动响应值 ,钢轨位移 、 轮对摇摆力以及车体加速度等指 标计算幅值与实测幅值接近, 验证了该模型的可行性. 关键词: 铁道工程;

轨道振动;

有限单元法 ;

粘弹性支承 中图分类号 : U211.

3 文献标识码 : A Time- varying model of railway tangent track spatial vibration ZENG Zhi- ping

1 , CHEN Xiu- fang

1 , ZHAO Guo- fan

2 (1 . School of Civil and Architectural Engineering , Central South University , Changsha 410075, China;

2 . School of Civil and Hydraulic Engineering , Dalian University of Technology, Dalian

116024 , China) Abstract: In order to analyzing the vehicle- track coupling vibration character of infinite length track , a time- varying model of railw ay tangent track spatial vibration w as presented. With finite element method , both the sleeper and the rail w ere divided by linear viscoelastic discretely supported beam element. The vibration equation group of the model w ere formulated using the principle of total potential energy w ith stationary value in elastic system and the set- in- right- position rule for formulating matrixes. Using the technique of track being added and cut dow n , the mass matrix , damp matrix , stiffness matrix and force vector of the model became time- varying. With the existing vehicle dynamics model and the measurement parameters ,

4 km track w as applied to calculate the dynamic responses of vehicle- track coupling vibration. The maximum values of rail displacement , w heelset lateral force and carbody acceleration betw een calculation and measurement results are very close , w hich demonstrates the feasibility of the presented model.

1 tab ,

13 figs ,

8 refs. Key words: railw ay engineering ;

track vibration ;

finite element method ;

viscoelastic support Author resume: ZENG Zhi- ping(1975- ), male , doctoral student ,

86 -

731 -

2655611 , csu_zzp @ sina. com.

0 引言车辆 - 轨道耦合动力学是当前研究十分活跃的课 题.轨道作为列车行驶的基础,其计算模型与实际情 况的接近程度显得十分重要,文献[

1 ~ 3] 先后对此展 开了研究.本文采用有限单元法建立了铁路直线轨 道结构空间振动模型,将轨枕离散为竖向和纵向粘弹 性点支承梁单元,钢轨划分为竖向和横向粘弹性点支 承梁单元,运用弹性系统总势能不变值原理[ 4] 及形成 矩阵的 对号入座 法则 [ 4] ,建立直线轨道结构空间振 动质量、 阻尼和刚度矩阵及荷载列阵 .由于计算机内 存和运算速度的限制, 采用有限单元法建立模型时, 其轨道长度取值不能太大 ,因此计算时列车运行的时 间较短.但是列车在轨道上的运行时间实际上是趋 于无限长的 ,实际线路各种参数的取值复杂多变 ,因 此有必要开展长时间的车辆- 轨道耦合振动研究 .文献[ 5] 采用 定点激振 方法对此进行了介绍 .本文采 用轨道 增加和缩减 技术,在计算车辆- 轨道耦合振 动响应时,沿着行车方向,在列车的前后适时地 增加 和缩减 同样长度的轨道.这样可以在保持计算模型 图1钢轨和轨枕单元 Fig.1 Rail element and sleeper element 总自由度不变的前提下,得到无限长轨道上车辆- 轨 道耦合振动的响应值.由于轨道每 增加和缩减 一次,轨道结构的质量、 阻尼和刚度矩阵及荷载列阵都 要重新生成一次,各矩阵中元素的位置和大小都在随 时改变,故该模型是一种时变模型.本文最后将该轨 道模型结合既有的车辆模型, 根据实测资料, 算出了 一节国产 25Z 型客车以160 km/h 的速度在轨道上行 驶4000 m 时的各种动力响应值,并与实测结果进行 了比较.