[發明專利]一種軌道結構彎曲振動帶隙的計算方法

在審

• 申請號: 202011551787.2
• 申請日: 2020-12-24
• 公開（公告）號: CN112560320A
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 馮青松;周豪;張凌;楊舟;郭文杰
• 申請（專利權）人: 華東交通大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F17/15;G06F17/16;G06F119/14
• 代理公司: 北京中創云知識產權代理事務所(普通合伙) 11837
• 代理人: 肖佳

本發明的目的在于提供一種軌道結構彎曲振動帶隙的計算方法，其特征在于，包括如下步驟：a)建立軌道結構的動力學模型，所述鋼軌簡化為鐵木辛柯梁單元，扣件與道砟簡化為扣件彈簧和道砟彈簧，軌枕簡化為質量塊，即鐵木辛柯梁單元通過支撐彈簧與質量塊上表面連接，質量塊下表面通過另一支撐彈簧與地基連接的雙層彈性點支撐軌道結構動力學模型；b)計算雙層彈性點支撐軌道結構頻散特性，得到有砟軌道結構垂向振動頻散曲線。本發明方法提出雙層連續彈性梁模型結構，相比于現有的方案更加貼合實際情況。解決了傳統平面波方法在求解雙層軌道結構時，本征方程中存在奇異矩陣從而導致無法求解的問題，提高了平面波展開法的適用性。

技術領域

本發明屬于軌道交通技術領域，具體涉及一種軌道結構彎曲振動帶隙的計算方法。

背景技術

近年來我國高速鐵路、重載鐵路技術不斷發展，隨著現代鐵路的速度和運營密度的大幅提高，車輛和軌道的相互作用變得更加強烈，其中，軌道的主體結構沒有發生太多變化，傳統的有砟軌道仍然是當前普速鐵路的主要結構形式，列車運行引起軌道振動，振動以彈性波的形式在軌道結構中傳播，對軌道結構構件造成嚴重損傷。此外，當鐵路穿越居民區和城區時，軌道結構的振動會由于聲波的輻射造成嚴重的噪聲污染，對沿線臨近居民的工作與生活健康、臨近建筑物和精密儀器的正常使用等造成了不利影響，成為最具代表性的環境問題。衰減慢、穿透力強、傳播距離遠的輪軌噪聲會造成人體神經衰落、引發高血壓，心臟病等癥狀。因此，研究軌道結構中波的傳播行為及其控制具有重要的意義。

近代固體物理學研究發現周期結構具有重要的物理特性，即振動帶隙特性，軌道結構作為一種常見的周期性結構，當振動以彈性波的形式在軌道中傳播時，受內部周期結構的作用，某些頻率范圍內的彈性波不能傳播，則相應的頻率范圍稱之為帶隙。平面波展開法是周期結構帶隙計算最基本的方法，其基本思路是將彈性波動方程中的位移、材料參數等物理量按Fourier級數的形式在倒格矢空間展開，通過截取有限個展開項，將波動方程轉化為本征方程，求解本征方程的特征值即可得到帶隙，目前平面波展開法用于計算單層軌道結構帶隙問題已有相關研究，但對于雙層軌道結構還缺少相關研究，而且在用該方法計算雙層軌道結構時，特征值方程中存在奇異矩陣，導致特征值方程無解。因此，亟需對現有的平面波展開法進行改進，提出一種適用于計算雙層軌道結構彎曲振動帶隙的方法。

發明內容

本發明的目的在于解決現有平面波方法適用范圍窄的現狀，目前僅適用于單層軌道結構振動帶隙問題的求解，而單層軌道結構的計算結果與實際情況偏差較大，提出一種更加精確的軌道結構彎曲振動帶隙的計算方法。

具體而言，本發明提供一種軌道結構彎曲振動帶隙的計算方法，其特征在于，包括如下步驟：

a)建立軌道結構的動力學模型，所述鋼軌簡化為鐵木辛柯梁單元，扣件與道砟簡化為扣件彈簧和道砟彈簧，軌枕簡化為質量塊，即鐵木辛柯梁單元通過支撐彈簧與質量塊上表面連接，質量塊下表面通過另一支撐彈簧與地基連接的雙層彈性點支撐軌道結構動力學模型；

b)計算雙層彈性點支撐軌道結構頻散特性，得到有砟軌道結構垂向振動頻散曲線。

進一步地，其特征在于，所述計算雙層彈性點支撐軌道結構頻散特性，為通過平面波展開法計算得到。

進一步地，其特征在于，所述扣件彈簧、軌枕、道砟彈簧系統可以簡化成一個等效彈簧，其中，表示軌道結構垂向等效支撐剛度，k₁、k₂、m、ω分別示扣件垂向剛度、道砟垂向支承剛度、軌枕質量、軌枕圓頻率。

進一步地，其特征在于，所述計算雙層彈性點支撐軌道結構頻散特性的具體方法為，采用如下特征值方程實現，

式中：

其中：