[發明專利]一種列車?軌道?結構耦合系統高效動力分析方法

在審

• 申請號: 201610370410.4
• 申請日: 2016-05-31
• 公開（公告）號: CN107451384A
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 朱志輝;龔威;王力東;楊樂
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及鐵道工程應用與設計技術領域，具體涉及一種基于車輛-軌道-結構空間耦合模型的車輛-軌道-結構耦合系統的高效動力分析方法。

背景技術

既有線路的列車提速、新建客運專線以及高速鐵路由于車速較高，為滿足行車安全性和乘坐舒適性的要求，相關設計規范中對軌道平順性以及軌下結構的剛度要求較高；同時從環保、節約土地、場地土條件、地形等方面考慮，中國、法國、德國以及日本等高速軌道交通發達的國家往往在客運專線和高速鐵路線路中大量采用高架橋作為軌道的下部結構。以我國近年投入使用的京深港客運專線、鄭西客運專線以及京滬客運專線為例，橋梁在整個線路里程中平均所占比例為73％，部分路段最高達到87％以上。而且隨著材料及技術的革新，大跨度橋梁開始被廣泛應用，如滬通鐵路長江大橋、青馬大橋，提高車輛-軌道-結構耦合系統動力分析的效率和精度對于全面和深入分析結構動力響應和行車安全性至關重要

目前車輛-軌道-結構耦合振動分析方法可以分為兩類：分離迭代法和時變系統分析方法。其中分離迭代法將車輛和軌道-結構作為兩個獨立的子系統，分別求解車輛和橋梁動力方程，但是兩個子系統需要在每一時間步內進行迭代求解，直至滿足輪軌接觸點處力平衡條件和位移協調條件。在整個分析過程中，由于分離迭代法中的車輛和軌道-結構子系統的質量、剛度和阻尼矩陣為常量，從而簡化了理論推導及求解難度，且易于和現有有限元軟件相結合；但是由于輪軌接觸剛度大，輪軌相互作用屬于高頻振動，從而導致輪軌接觸處的平衡迭代計算需要較小的時間積分步長和較多的平衡迭代次數，導致整個數值仿真效率偏低。時變系統分析方法直接建立車輛-軌道-結構耦合系統整體時變動力方程，在每一時間步通過直接法求解動力方程。時變系統分析方法雖然可以避免在每一時間步內的收斂迭代計算，但需要在每一時間步，根據車輛運行位置及輪軌接觸點位置更新整個時變系統阻尼和剛度矩陣。當結構模型過于復雜和龐大時，將會導致推導時變系統剛度和阻尼矩陣非常復雜，從而限制了該方法在車輛-軌道-結構耦合振動研究中的使用。

本發明針對分離迭代法與時變系統各自存在的優缺點，將車輛-軌道-結構耦合系統分解為車輛-軌道時變子系統和結構子系統兩部分。由于車輛-軌道時變子系統動力方程中不包括結構子系統，從而有效減小了時變系統模型在每一時間步需要更新的矩陣的規模，提高了分析效率；同時將車輛-軌道時變子系統和結構子系統的平衡位置放置在軌道和結構連接部位，該部位剛度遠低于輪軌接觸點處的剛度，從而極大提高了計算收斂性。本發明結合了傳統時變系統分析方法和分離迭代系統分析方法的優點，并且避免了兩種方法的缺點，可以較大地提高車輛-軌道-結構耦合振動分析效率。

發明內容

針對現有技術存在的缺陷，本發明的目的是提出列車-軌道-結構耦合系統高效動力分析方法。基于目前已有的動力方程求解方法，即分離迭代法(分離迭代法將車輛和軌道-結構作為兩個獨立的子系統，分別求解車輛和橋梁動力方程，但是兩個子系統需要在每一時間步內進行迭代求解，直至滿足輪軌接觸點處力平衡條件和位移協調條件)與整體時變系統方法(時變系統分析方法直接建立車輛和軌道-結構耦合系統整體時變動力方程，在每一時間步通過直接法求解動力方程)，結合兩種方法的優缺點并且根據其優缺點的產生原因，提出了一種混合求解方法，該方法既結合了分離迭代法與時變系統方法的優點又避免了兩者的缺點。

本發明的技術方案是：一種列車-軌道-結構耦合系統高效動力分析方法，包括車輛結構模型模塊、軌道結構模型模塊、下部結構模型模塊、車輪和軌道鋼軌之間的輪軌動力接觸模型模塊、軌道不平順模塊、軌道和下部結構間的動力相互作用模型模塊；其中，車輛結構模型模塊與軌道結構模型模塊通過輪軌接觸關系耦合為整體時變的車輛-軌道子系統，下部結構為下部結構子系統；車輛-軌道子系統與下部結構子系統間通過軌道與下部結構間的相互作用力平衡條件實現耦合；每一時間步內，車輛-軌道子系統與下部結構子系統之間的通過平衡迭代求解，實現相互作用力的平衡收斂計算。

優選地，構建車輛-軌道子系統整體時變動力學方程；在每一時間步，根據車輛位置更新車輛-軌道子系統的系數矩陣，系數矩陣包括質量矩陣、剛度矩陣、阻尼矩陣中的至少一種；車輛-軌道子系統的動力方程通過逐步積分方法進行求解，求解方法采用Euler-Gauss法、Newmark-β法、Wilson-θ法、中心差分法中的至少一種。