[發明專利]分析高速鐵路無砟軌道車軌耦合振動的移動單元方法

有效

• 申請號: 202010526265.0
• 申請日: 2020-06-09
• 公開（公告）號: CN111695200B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 雷拓;閆玉康;郭緒新;鄭毅飛;許奔;余仁君
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 姚詠華

本發明公開了一種分析高速鐵路無砟軌道車軌耦合振動的新型移動單元方法，建立考慮離散的軌道墊塊的三層Timoshenko梁振動方程，通過引入隨車輛運動的移動坐標，對控制方程進行變換，并采用Galerkin方法建立軌道的質量、剛度和阻尼矩陣；采用非線性Hertz模型將軌道MEM單元和10自由度車輛多體動力學模型進行耦合，最后采用Newton?Raphson迭代方法和Newmark積分方法進行求解。通過計算移動荷載下軌道動力響應，得到不同使用環境下的軌道實際使用情況或受損狀況，并進行相對性設計或整修，增加使用壽命，提高運行安全性，減少使用成本。相比于其它分析方法，可大幅地提高計算效率，更加符合現實，準確有效。

技術領域

本發明屬于無砟軌道技術領域，具體涉及一種分析高速鐵路無砟軌道車軌耦合振動的移動單元方法。

背景技術

無砟軌道，是以混凝土、瀝青砂漿替代離散顆粒道碴道床而組成的軌道結構型式，參照圖 1，包括自上至下依次設置的軌道1、軌道墊塊2、鋼筋混凝土軌道板3、水泥瀝青砂漿層4、混凝土基礎5以及路基6。無砟軌道具有軌道穩定性高，剛度均勻性好，結構耐久性強和維修工作量少等特點，相較于傳統的有砟軌道具有更好的適應性，現已成為我國主流的高速列車軌道結構形式。隨著列車運行速度的不斷提高，為了不斷提升列車運行的安全性和舒適性、并延長軌道使用壽命，關于無砟軌道車軌系統計算模型和仿真技術的研究和開發一直是國內外研究的熱點問題之一。

目前，最常用的求解列車軌道問題及研究軌道動態特性的方法是各種解析方法(如：拉普拉斯變換、傅立葉變換、快速傅立葉變換、模態疊加等)和有限元方法(FiniteElement Method，簡稱FEM)等。其中，解析法僅適合于彈性地基上的無限梁等簡單問題的求解。

采用有限元方法進行動力分析時，需要建立多層梁、梁-板或梁-實體單元等一定長度的軌道模型。由于有限元法中采用固定的全局坐標系來建立結構單元矩陣，當車輛移動時，必須同時更新荷載以跟蹤車輪的移動。為了得到準確的分析結果，需要較小的計算時間步長和單元網格劃分。另外，軌道的計算模型長度也必須足夠長，以消除兩端的邊界效應和避免車輛駛出邊界。隨著列車運行速度的大幅提升，上述問題將更加突出，從而導致有限元法的計算模型大，計算量大，效率低下。

移動單元法(Moving Element Method，簡稱MEM)通過將截取的軌道模型離散成與移動車輛一起“流動”的單元，使車輛始終處于模型中心的“靜止”狀態。該方法不僅消除了跟蹤車輪位置(加載點)的必要，而且消除了車輛駛出邊界的可能性，因此，可大幅度減小軌道計算模型的規模。鑒于MEM的突出優點，已有研究人員將MEM應用于連續梁上移動荷載和列車軌道問題。例如，華東交通大學雷曉燕教授等將軌道簡化為由連續的支撐的三層Euler-Bernoulli 梁(歐拉-伯努利梁)等模型。但據文獻資料看，研究人員在應用MEM模擬車軌系統振動時，有以下三個方面不足：(1)軌道多采用Euler-Bernoulli梁模型，計算理論不足；(2)忽略軌道離散支撐的影響，計算模型不足；(3)多是采用密貼模型或線性接觸模型處理輪軌耦合問題。

綜上所述，為了不斷提高列車運行的安全性和平穩性，對于已有研究車輛和軌道動力特性的方法，還有需要進行不斷改進。

發明內容

本發明提供了一種分析高速鐵路無砟軌道車軌耦合振動的移動單元方法，通過計算移動荷載下軌道動力響應，得到不同使用環境下的軌道實際使用情況或受損狀況，并進行相對性設計或整修，增加使用壽命，提高運行安全性，減少使用成本。

為達到上述目的，本發明所述一種分析高速鐵路無砟軌道車軌耦合振動的移動單元方法，

所述技術方案主要包括以下步驟：