對線路系統動力學

研究方向及方法的思考對線路系統動力學

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專線建設帶來的問題路基合理動剛度及動剛度匹配：

剛度過小，引發軌道不平順；剛度過大，路基、軌道、車輛系統振動加劇，且設計、施工要求嚴格；過大過小都不利于高速行車及各部件的使用壽命，應與高速車輛、軌道系統相匹配的路基合理剛度。研究背景新建高速鐵路或客運專線建設帶來的問題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對線路系統動力學課件5無碴軌道系統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條件

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

既有線提速鐵路技術條件7合理的線路養護維修周期及服務壽命的預測

道床的動力性能：運量、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）隨運量等的變化合理的線路養護維修周期及服務壽命的預測8軌道交通對環境的影響鄰近施工對既有線、既有線運營對新線、運營后的相互影響；軌道交通運營對地面結構物或周圍結構物的影響軌道交通對環境的影響9目前的研究方法“車輛動力學”、“軌道動力學”、“輪軌相互作用”、“路基動力學”等目前的研究方法“車輛動力學”、“軌道動力學”、“輪軌相互作用10線路(軌道)系統垂向振動分析模型(軌道動力學)

分布參數模型彈性連續支承梁軌道模型、彈性點支承梁軌道模型；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)系統垂向振動分析模型(軌道動力學)分布參數模型11分布參數模型1彈性連續支承梁軌道模型將鋼軌當作無限長Euler梁，軌下基礎不計質量，簡化為連續的彈簧，并符合Winkler假設

分布參數模型1彈性連續支承梁軌道模型將鋼軌當作無限長E12考慮軌下基礎的參振質量及阻尼考慮軌下基礎的參振質量及阻尼13對線路系統動力學課件14對線路系統動力學課件15對線路系統動力學課件16對線路系統動力學課件172彈性點支承梁軌道模型2彈性點支承梁軌道模型18對線路系統動力學課件19對線路系統動力學課件20對線路系統動力學課件21對線路系統動力學課件22集總參數模型依據一定的等效性變換原則，可將一個具有復雜分散參數體系的軌道結構，簡化成一個具有少數自由度的質量一彈簧一阻尼集總參數模型。常用的等效性變換原則有兩種。其一是用軌道結構的實測自振頻率來推算等效質量和等效彈簧剛度，用軌道結構的實測幅頻響應的對數衰減減率來推算等效阻尼系數其二是在確定等效質量時，要求彈性地基梁分布質量的動能與集總質量的動能相等，在確定等效彈簧剛度時，要求荷載作用點下彈性地基梁的靜撓度與集總參數模型的靜撓度相等集總參數模型依據一定的等效性變換原則，可將一個具有復雜分散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量;軌道被簡化為單自由度的集總參數模型，只考慮了軌下的等效剛度和阻尼，以及鋼軌的等效質量。單輪對軌道模型車輛被簡化為單輪對的24模型中，車輛被簡化為轉向架的集總參數模型(5自由度)，考慮了車輛的二系懸掛特性，以及車體(半車)、構架和簧下的質量:軌道被簡化為2自由度的集總參數模型，只考慮了軌下的等效剛度和阻尼，以及鋼軌的等效質量。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模型(10自由度)，考慮了車輛的二系懸掛特性，以及車體、構架和簧下的質量;軌道被簡化為12自由度的集總參數模型，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車輛系統垂向振動分析模型研究車體的運行品質、脫軌安全性、抗傾覆性、直線運行穩定性和曲線通過性能等問題將車體及其裝載、轉向架構架及其上安裝部件、輪對及其裝備視為剛體，將車輛系統描述成多剛體系統進行振動分析車輛系統垂向振動分析模型研究車體的運行品質、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，將車輛系統的質量集中分配到相應輪對上，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，將車輛系統的質量集中分28考慮一系懸掛特性，考慮輪對和簧上質量的沉浮振動

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

2轉向架半車模型（考慮輪對的沉浮振動，以及簧上質量的沉浮和30對線路系統動力學課件313整車詳細模型（可考慮輪對的沉浮振動，以及車體的沉浮和點頭振動）

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

將己有的車輛系統的垂向振動分析模型與線路系統的垂向振動分析模型進行不同的組合，即可構成種類繁多、復雜程度各異的輪軌動力分析模型，能適應不同分析目的的需要。車輛與線路系統垂向振動分析模型將己有的車輛系統的垂向振動分35對線路系統動力學課件36路基動力學分析方法將列車荷載模擬為簡化的函數形式，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函數形式，并通過Fourier級數反映不同輪組在不同時刻、不同位置處的情形

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

采用車輛系統或線路系統其得動輪載，以此為輸入38北方交大（張鴻儒）北方交大（張鴻儒）39對線路系統動力學課件40對線路系統動力學課件41西南交大（梁波）西南交大（梁波）42對線路系統動力學課件43對線路系統動力學課件44Geotrack模型（靜態）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）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蘇謙路基、道床部分采用空間有限元進行離散軌道結構考慮為點支撐的Euler梁車輛為空間半車模型系統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對線路系統動力學課件49對線路系統動力學課件50對線路系統動力學課件51其他的研究方法對動力計算方程、邊界進行函數變換，通過振型疊加進行求解；移動荷載的影響考慮（均質、飽和土研究較多）；波的傳播理論，通過引入波傳導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、邊界進行函數變換，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，并隨著認識的深入和條件的許可，逐步增加考慮的因數，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；荷載模擬的準確性（已有輪軌力計算程序的使用、試驗數據的函數模擬）細化道床的模擬，邊界的處理（粘性邊界、投射邊界？），計算參數的確定，道床與軌枕的接觸狀態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、轉向架通過頻率、列車通過頻率過軸頻率、轉向架通過頻率、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、細化道床及路基）對道床、土體的動力特性進行深入研究，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已有數據對路基動力計算參數的識別，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剛度進行研究振動對周圍環境的影響（地鐵）相互影響對不同類型建筑物的影響養護維修周期及標準

對無碴軌道合理基礎剛度進行研究56

對線路系統動力學

研究方向及方法的思考對線路系統動力學

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專線建設帶來的問題路基合理動剛度及動剛度匹配：

剛度過小，引發軌道不平順；剛度過大，路基、軌道、車輛系統振動加劇，且設計、施工要求嚴格；過大過小都不利于高速行車及各部件的使用壽命，應與高速車輛、軌道系統相匹配的路基合理剛度。研究背景新建高速鐵路或客運專線建設帶來的問題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對線路系統動力學課件61無碴軌道系統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條件

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

既有線提速鐵路技術條件63合理的線路養護維修周期及服務壽命的預測

道床的動力性能：運量、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）隨運量等的變化合理的線路養護維修周期及服務壽命的預測64軌道交通對環境的影響鄰近施工對既有線、既有線運營對新線、運營后的相互影響；軌道交通運營對地面結構物或周圍結構物的影響軌道交通對環境的影響65目前的研究方法“車輛動力學”、“軌道動力學”、“輪軌相互作用”、“路基動力學”等目前的研究方法“車輛動力學”、“軌道動力學”、“輪軌相互作用66線路(軌道)系統垂向振動分析模型(軌道動力學)

分布參數模型彈性連續支承梁軌道模型、彈性點支承梁軌道模型；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)系統垂向振動分析模型(軌道動力學)分布參數模型67分布參數模型1彈性連續支承梁軌道模型將鋼軌當作無限長Euler梁，軌下基礎不計質量，簡化為連續的彈簧，并符合Winkler假設

分布參數模型1彈性連續支承梁軌道模型將鋼軌當作無限長E68考慮軌下基礎的參振質量及阻尼考慮軌下基礎的參振質量及阻尼69對線路系統動力學課件70對線路系統動力學課件71對線路系統動力學課件72對線路系統動力學課件732彈性點支承梁軌道模型2彈性點支承梁軌道模型74對線路系統動力學課件75對線路系統動力學課件76對線路系統動力學課件77對線路系統動力學課件78集總參數模型依據一定的等效性變換原則，可將一個具有復雜分散參數體系的軌道結構，簡化成一個具有少數自由度的質量一彈簧一阻尼集總參數模型。常用的等效性變換原則有兩種。其一是用軌道結構的實測自振頻率來推算等效質量和等效彈簧剛度，用軌道結構的實測幅頻響應的對數衰減減率來推算等效阻尼系數其二是在確定等效質量時，要求彈性地基梁分布質量的動能與集總質量的動能相等，在確定等效彈簧剛度時，要求荷載作用點下彈性地基梁的靜撓度與集總參數模型的靜撓度相等集總參數模型依據一定的等效性變換原則，可將一個具有復雜分散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量;軌道被簡化為單自由度的集總參數模型，只考慮了軌下的等效剛度和阻尼，以及鋼軌的等效質量。單輪對軌道模型車輛被簡化為單輪對的80模型中，車輛被簡化為轉向架的集總參數模型(5自由度)，考慮了車輛的二系懸掛特性，以及車體(半車)、構架和簧下的質量:軌道被簡化為2自由度的集總參數模型，只考慮了軌下的等效剛度和阻尼，以及鋼軌的等效質量。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模型(10自由度)，考慮了車輛的二系懸掛特性，以及車體、構架和簧下的質量;軌道被簡化為12自由度的集總參數模型，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車輛系統垂向振動分析模型研究車體的運行品質、脫軌安全性、抗傾覆性、直線運行穩定性和曲線通過性能等問題將車體及其裝載、轉向架構架及其上安裝部件、輪對及其裝備視為剛體，將車輛系統描述成多剛體系統進行振動分析車輛系統垂向振動分析模型研究車體的運行品質、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，將車輛系統的質量集中分配到相應輪對上，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，將車輛系統的質量集中分84考慮一系懸掛特性，考慮輪對和簧上質量的沉浮振動

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

2轉向架半車模型（考慮輪對的沉浮振動，以及簧上質量的沉浮和86對線路系統動力學課件873整車詳細模型（可考慮輪對的沉浮振動，以及車體的沉浮和點頭振動）

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

將己有的車輛系統的垂向振動分析模型與線路系統的垂向振動分析模型進行不同的組合，即可構成種類繁多、復雜程度各異的輪軌動力分析模型，能適應不同分析目的的需要。車輛與線路系統垂向振動分析模型將己有的車輛系統的垂向振動分91對線路系統動力學課件92路基動力學分析方法將列車荷載模擬為簡化的函數形式，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函數形式，并通過Fourier級數反映不同輪組在不同時刻、不同位置處的情形

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

采用車輛系統或線路系統其得動輪載，以此為輸入94北方交大（張鴻儒）北方交大（張鴻儒）95對線路系統動力學課件96對線路系統動力學課件97西南交大（梁波）西南交大（梁波）98對線路系統動力學課件99對線路系統動力學課件100Geotrack模型（靜態）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）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蘇謙路基、道床部分采用空間有限元進行離散軌道結構考慮為點支撐的Euler梁車輛為空間半車模型系統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