（环境工程专业论文）浮置板轨道动力特性及其振动对周围环境影响的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y ，u r b a nr a i l w a ys y s t e mi sq u i c k l yd e v e l o p e di i lm a n yb 蟾 c i t i e so fc h i i l a n en o i s ea n dv i b r a t i o na m u s c d b ym i l w a y 仃a c ki sa t t e n t i o n b yp e o p l e w h e nv e h i c l et r a v e l i n go nt l l es e n s i t i v ea r e a ，t h e v i b r a t i o ne n e r g y c o n t r o l i sd i 伍c u l t ni sn e c e s s a r yt os t l l d yt i l en o i s e 柚dv i b m t i o no ft l l e r 嚣c ks 加c m f e r o a t i n gs i a bi so n eo ft h en e wl o wv i b r a t e dt r a c ks t m c t i l 他b a s e do n t h es t e e ls p r i l l gn o a t 啦s l a bo ft h eg e t 孤e rc o r p o r a t i o na n db e i j i n gm e t r o v e h i d e ，at h r c e d i m e n s i o n a lv e r t i c a lc o u p l i n gd y m m i c sm o d e lo fr a i l w a y t r a i n - n o a t i l l gs l a bs y s t e mi se s t a b l i s h e d t h et l l e s i su s et h et h e o f yo ft h e v e n i c a lc o u p l i n gd y n a i i l i c sm o d e lo fr a i l w a yt r a i l l - n o a t i n gs l a bs y s t e ma n d m u l t i - s y s t e ms o f 啊a r ea d a m s 瓜a i l 妯df e ms o f h a r ea n s y s t oa n a l y s i s t h cd y n a n l i c sr e 印o n s eo fn o a t i n gs l a b s t u d i e dt h ed y n a i n i c sr e s p o n s ew h e n t h ei r f c g u l a r i t i e s 锄c ha ss i n u s o i d a li r r e g u l a r i t i e s ，d i pi n g u l 撕t i e sa dr 锄p i h e g u l a r i t i e st l i a tm a yo nn l en o a t i n gs l a b s t u d yt h ed y n a l i c sr e s p o n s ei i l d i 舶r e n tv e l o c i t y 触da 】【i a lw e i g l l t 弛a l l y ，u a n s y ss o f t w a r eb u i l da v i b r a t i o ns p f e a dm o d e lt os t u d yt h ed e f l i s e do fv i b r a t i o n a c c o r d i n gt 0 也e a n a l y s i sr e s u l t ，c a nm a k et l l es u g g e s t i o n f o rd e s i g n ，c o n s t m c t i o na n d m a i n t e n 强c eo ft h en o a t i i l gs l a b k e y w o r d s ：u r b a nr a i l w a ys y s t e m ，f l o a t i gs i a b ，v e n i c a lc o u p l i l l 舀t f a c k i n e g u l a r b r a t i o n ，a n s y s ，a d a m s 瓜a i l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 城市轨道交通作为一种城市交通方式，其优势是显而易见的。首先， 城市轨道交通是一种大运量、安全、快捷、准时、方便、舒适的理想交 通工具，它在解决城市交通问题中有着特殊的地位和作用。其次，是由 于城市轨道交通无空气污染，有利于保护人们的生存环境，改善空气质 量，这符合了大城市可持续发展的原则。第三，城市轨道交通与城市经 济和社会发展之间存在良性互动密切关系，这一点是其它交通方式无法 比拟的。 但是，随着城市轨道交通建设的大力发展，一些负面影响也相继产 生。其中，由城市轨道交通运行诱发的振动对环境的影响问题尤为显著。 部分地段城市轨道交通甚至在地面上运行，振动将更加剧烈。这种振动 将影响到地面建筑物和地面环境，严重的影响到人民群众的生活f 1 0 ，2 7 1 。 随羞现代工业的迅速发展和城市规模的日益增大，振动对大城市生 活环境和工业环境的影响引起人们的普遍关注。国际上已经把振动列为 七大环境公害之一，并开始着手研究振动的环境污染规律、产生原因、 传播途径、控制方法以及对人体的危害等。据有关国家统计，除工厂企 业和建筑工程以外，交通系统引起的环境振动是公众反映最为强烈的一 项。由于城市轨道交通系统均贯穿市中心，对沿线周围建筑居住环境产 生的影响不容忽视【1 0 1 1 1 。 北京交通大学硕士学位论文 1 2 轨道减振措施研究现状 轨道结构包括钢轨、扣件、轨下基础及其他相关设备( 如车档、防 脱轨装置等) 。其中钢轨、扣件和轨下基础对减振降噪的关系最为密切。 减振轨道结构，主要是对这3 个部分进行优化，达到减振降噪的目的【3 】o a 弹性钢轨扣件 轨道的弹性，尤其是整体道床，主要取决于扣件弹性，国内外都作 了大量研究工作，研制开发了满足不同减振要求的钢轨扣件。在减振要 求一般的地段，上海地铁采用d 1 型扣件( 图1 1 ) ，该扣件采用二级减 振，在钢轨和铁垫板下都设绝缘橡胶板，扣件弹性较好，比北京地铁采 用d 1 r i 型减少5 1 m 嘧。 图卜1d t i i i 型扣件 图卜2 科隆蛋型扣件 在减振要求较高的地段，德国科隆、美国华盛顿、法国巴黎、上海、 新加坡地铁均采用了轨道减振器扣件科隆蛋型扣件( 如图1 2 ) 。该扣件的 承轨板与底座之间用减振橡胶硫化粘结在起，利用橡胶圈的剪切变 形，获得较低竖向刚度，较d t i 型扣件的加速度传递函数减少1 5 3 叫b ， 较d 1 1 i i 型扣件减少1 0 2 彻曰，减振效果显著，能有效地减少对周围环 境的干扰【3 1 。 b 新型轨下基础减振措施 2 第一章绪论 1 弹性支撑式轨道结构 弹性支承块型轨道结构是在双块式轨枕( 或两个独立支承块) 的下 部及周围设橡胶套靴，在块底与套靴间设橡胶垫层，而在双块式轨枕周 围及下部灌注混凝土而成型，为减振型轨道。其最初是由r o g c r s o n n e v i l l e 提出并开发。瑞士国家铁路于1 9 6 6 年在隧道内首次试铺。法 国开发的v s b s t e d e t 系轨道也属此类。1 9 9 3 年开通运营的英吉利海 峡两单线隧道内全部铺设独立支承式l 、仃型轨道( 图1 3 ) 【3 1 。 图卜3 独立支承式l v t 型轨道 轨道结构的垂向弹性由轨下和块下双层弹性橡胶垫板提供，最大程度上 模拟了弹性点支承传统碎石道床的结构和受荷响应特性，并使得轨道纵 向弹性点支承刚度趋于一致。通过双层弹性垫板刚度的合理选择，可使 轨道的组合刚度接近有碴轨道的刚度。支承块外设橡胶靴套提供了轨道 的纵、横向弹性变形。使这种无碴轨道在支承、动力传递和振动能量吸 收诸方面更接近坚实均匀基础上的碎石道床轨道。这种低振动轨道可以 弥补无碴轨道弹性不足，以适应环保对低振动、低噪音的要求。通过双 层弹性垫板的隔离，轨道的支点荷载和振动等动力性能可保持长期稳 定，轨道的几何形位也可在长时间内得以保持。结构简单，施工相对容 3 北京交通大学硕士学位论文 易。支承块为钢筋混凝土结构，可在工厂预制，在现场只需将钢轨、扣 件、靴套及垫板的支承块加以组装，经准确定位后，就地浇筑道床混凝 土即可成型。由于采用橡胶靴套和块下大橡胶垫板，初期投资较大。而 且由于橡胶易老化，故运营一定时间后必须更换。 2 梯子型无碴轨道结构 梯子型无碴轨道是日本铁道综合技术研究所( r t r i ) 开发的，其结构 基于普通的钢筋混凝土轨枕、法国式的双块式轨枕、普通板式轨道、框 架式板式轨道4 种轨下基础形式结合的原理，既能在有碴轨道上铺设， 也能与基础结合在一起成为无碴轨道。这种结构曾在美国的e a s t 线上 进行了3 6 2 t 大轴重考验试验，取得了成功，在日本的城市轨道交通系 统已经开始应用【4 】。 试验表明梯子型轨道具有很好的承载能力和横向、纵向稳定性。无 碴梯子型轨道，特别是高架桥上无碴梯子型轨道具有自重轻、低振动、 易维修、低造价、提高桥梁抗振能力等突出优点，是无碴轨道技术的重 图1 4 浮置式梯子型无碴轨道结构 图卜5 梯子型无碴轨道 4 第一章绪论 大突破，并有可能取代板式轨道。特别是浮置式梯子型轨道( 图1 4 、图 1 5 1 具有自重轻、造价低廉、减振效果极佳的优点，其中在5 0 0 h z 频域 附近降低振动最高能达到3 0 棚”1 。 3 雷达型无碴轨道 德国弗莱德尔公 司开发的雷达型无碴 轨道于1 9 7 2 年铺设 于德国比勒菲尔德至 哈姆的一段线路上， 以雷达车站而命名。 雷达2 0 0 0 型，成为钢 筋架连接的双块埋入 式轨道，其混凝土承 图1 6 铺有噪声吸收系统的雷达2 0 0 0 型无碴轨道 载层改成平板。其噪 声吸收系统，仅安装在轨道设施表面，就可以达到减振降噪的要求。板 做成沟槽便于无碴轨道的排水。还开发了用于减少列车振动对周围环境 影响的质量弹簧隔振系统，安装在道床于上部结构之间，可使地面上不 再感觉到通过轨道结构和土壤传输的轨道交通振动叽 4 旭普林型无碴轨道 德国旭普林公司研发的用于桥上的旭普林无碴轨道，一般设计为两 层，下层与混凝土保护层连接，上层与轨枕或轨条扣件连为一体。两层 混凝土板之间隔有人造橡胶或沥青涂层，能在一定程度上起到隔振作 用。旭普林公司根据现场的需要，设计了数种质量一弹簧系统，例如支 承在连续弹性垫板或单个橡胶支座上的混凝土承载板。对需要采取防振 北京交通大学硕士学位论文 措施的地段，可在钢轨之间安装吸声预制件。这些预制件单元由多孔隙 的混凝土组成，根据需要还可以配上颜色f 3 7 】。 5 博格板式无碴轨道 德国博格公司开发具有 减振系统的特殊预制轨道 板，可用于有隔振要求的地 段。该系统是将特殊预制板 的厚度加大，以提供减振系 统所需的大质量。这种特殊 预制板的底面铺有一层橡胶 垫，起到弹簧作用。当线路 图卜7 减振降噪型博格无碴轨道 附近有降噪要求时，可在博格轨道板上铺设预制的吸声材料。可最多降 低5 d 8 左右【4 l o 1 3 浮置板轨道的发展现状 1 3 1 浮置板轨道结构的发展 最早采用浮置板式轨道结构的国家是德国。德国对环境标准的要求 非常严格，随着其国内城市地铁的开通，振动和噪声也不可避免地产生 了，针对此情况，德国先开发了有道碴的浮置板轨道结构，在多特蒙德 的一座轻轨铁路隧道内铺设了试验段。此后，在科隆地铁和波鸿至曼海 姆轻轨铁路及杜塞尔多夫的轻轨铁路上铺设了无碴浮置板式轨道。由于 其良好的减振降噪性能，这种结构逐渐在世界各地被广泛采用 1 0 ，刎。 6 第一章绪论 1 3 2 浮置板轨道结构的隔振原理 隔振就是在设备和基础之间设置代替刚性联接的弹性支承物，以减 少振动能量的传递，起到隔振的作用。隔振系统中影响隔振效果的主要 因素是弹性支承的刚度、被隔离物体质量、系统中的阻尼。弹性支承的 刚度小，隔振效果好，但其变形大，影响隔振系统的稳定。在激励和系 统固有频率不变的情况下，增加弹性支承上面的质量，可以减小其响应 振幅，摇摆减少，系统稳定，但它不能减少绝对传递率，传递到基础的 力仍然保持不变。阻尼可抑制共振振幅，减弱高频区物体的振动。而在 隔振区阻尼为系统提供了一个使弹簧短路的附加连接，提高支承刚度， 使传递率增大。因此，减小阻尼对降低传递率有利，也增加隔振效果， 但为了使结构安全通过共振区，还应当考虑保持适当的阻尼【2 1 1 1 。 将整体道床与基础结构分离，做成具有足够刚度和质量的道床板， 再浮置于弹性元件上，即构成浮置板式轨道结构。浮置板轨道用扣件把 钢轨固定在钢筋混凝土浮置板上，浮置板置于可调弹性支座上，增大振 动体的振动质量和增加振动体的弹性，利用其惯性力吸收冲击荷载，并 在轨道和基础间插入固有频率远低于激振频率的线性谐振器，借以减小 传入基础的振动，形成一种质量一弹簧隔振系统，从而起到隔振减振的 效果。这种减振系统在共振频率下放大的倍数很低，所以减振降噪效果 非常显著。 1 3 3 浮置板轨道结构的分类 浮置板式轨道结构按板下弹性阻尼元件可分为橡胶支承浮置板和 弹簧支承浮置板两种。 7 北京交通大学硕士学位论文 a 橡胶支承浮置板 按橡胶支承方式可分为整体支承、线性支承、分布式支承浮置板三 种。 整体支承在瑞士的日内瓦、法国的格勒诺布尔、西班牙的马德里、 意大利的米兰、罗马、德国的慕尼黑、法国的南特、里昂、斯特拉斯堡、 西班牙的巴伦西亚地铁和德国、比利时、意大利、奥地利、瑞士铁路中 采用，其优点是构造简单，施工速度快，施工误差小，隧道仰拱( 基底) 和道床受力均匀，支承面积大，可以很好地抵抗轨道纵向力和横向力， 缺点是橡胶材料用量大，可维修性差。其隔振效果在2 0 扭左右【2 1 口 线性支承在德国的波恩、多特蒙德、埃森、慕尼黑地铁中采用，其 优点是较整体支承节省材料，轨道结构的固有频率较低。其隔振效果在 2 5 d 8 左右。 分布式支承在德国的波恩、汉堡、慕尼黑、纽伦堡、美国的亚特兰 大、加拿大的多伦多、新加坡、我国香港和广州地铁中采用。其特点是 抵抗轨道纵向力和横向力能力差，为了限制变形，必须使剪切模量、弹 性模量、垫板厚度、垫板大小十分匹配，但是如果设计合理，轨道结构 的固有频率低，减振效果较好，维修方便。采取凹槽对橡胶垫板进行定 位，能有效地提高浮置板的稳定性。其隔振效果在3 叫曰左右。 b 弹簧支承浮置板 弹簧支承浮置板式与橡胶支承浮置板相比，弹簧支承浮置板的主要 优点是隔振频率低；可维修性好。采用螺旋弹簧支承的浮置板轨道，其 固有频率很低，只有4 8 上如。虽然螺旋弹簧机会没有什么阻尼作用，但 是由于浮置板较重，列车通过时引起浮置板的振动加速度较小，因此， 浮置板支承阻尼作用对路基的影响较小。如果要利用阻尼减小浮置板的 8 第一章绪论 振动，可安装与螺旋弹簧并联的粘滞阻尼器，浮置板减振效果更好。采 用螺旋浮置板轨道具有以下特点：浮置板与隧道底板之间只需要很小的 缝隙：浮置板的钢筋混凝土可以现场浇铸；借助简易工具便可抬起浮置 板或调整浮置板高度；从浮置板表面可以随时更换弹簧；从浮置板表面 可以随时检修或校正线路不平顺；通过调高螺旋弹簧的高度，就可消除 线路沉降引起的不平顺：通过对弹簧表面特殊处理及弹簧强度储备，弹 簧寿命可以很长；浮置板轨道可以做的比较长，减少连接，降低成本。 图1 8 钢弹簧浮置板轨道 1 3 4 浮置板轨道结构的特点 减振降噪效果最好。据德国有关部门测试，浮置板式轨道结构的阻 尼效应可达3 0 d 8 ，且在垂直荷载2 0 一1 0 0 变化范围内其隔振的效果 几乎保持不变f 2 7 】。 轨道绝缘性能强。由于轨道结构四周基本上由绝缘的橡胶支座与混 凝土底座隔离，可有效防止轨道迷流的发生。 体积庞大，施工与维修较不便。由于浮置板是采用了有意增大轨下 9 北京交通大学硕士学位论文 参振质量和有效阻尼的方法来控制噪声和振动，故一般而言，浮置板体 积较大，需大型机械施工。维修时，若需更换支座，在隧道内将造成不 便。造价较高。 1 4 车辆一轨道垂向耦合理论的发展概述 1 4 1 车辆一轨道垂向耦合理论的发展 车辆与轨道系统，两者是相互耦合相互影响的。轨道的变形会激起 机车车辆的振动，而机车车辆的振动经由轮轨接触界面，又会引起轨道 结构的加剧，反过来助长了轨道的变形，这种反馈作用将使机车车辆 轨道系统处于特定的耦合振动形态之中。研究这样的问题，仅从单一系 统着手，难以反映其本质。所以应用系统工程的思想，将机车车辆系统 与轨道系统作为一个总体的大系统，而将轮轨作用作为连接两个子系统 的“纽带”。进行“车辆轨道耦合动力学的研究，可以更客观的反映铁 路轮轨系统的本质。我国铁路向着客运高速货运重载的方向发展，轮轨 之间的动态作用也日益增强，由此而引发的动力学与振动的问题也更为 严重。阱o 】 国际国内许多铁路研究人员在轮轨动力分析理论及模型方面开展 了大量的研究和实践工作。早在1 8 6 7 年，矸锄肼e ，就提出了弹性地基梁 理论，这一理论很快便被用于轨道建模。1 9 2 6 年，z 钿o s l l e n 幻应用弹性 地基梁模型首先研究了钢轨的动应力问题，直至今天我们仍然采用这种 经典的方法。 2 0 世纪7 0 年代，英国为防止和整治轨道接头区病害，率先进行了 l o 北京交通大学硕士学位论文 半车模型将车辆走行部分转向架和下面的两个轮对，共同承担车体 质量，轮对和钢轨之间简化为一系弹簧，该模型考虑相邻轮对的动力耦 合关系，以及轮对与转向架的动力耦合关系，考虑车体的参振作用，可 以考虑车辆前后对称，或者车辆左右对称。 4 熬车模型 整车模型考虑一节车辆的前后转向架以及四个轮对的作用，车辆考 虑为具有二系悬挂的整车模型。 b 轨道模型概述 轨道包括钢轨和轨下基础两部分。有碴轨道包括钢轨、垫层、轨枕、 道床等部分，无碴轨道包括钢轨、弹性扣件、整体道床以及整体道床下 面的填充物、刚性基础组成。对轨道的模拟，主要有以下几种模型 1 等效集总参数模型 等效集总参数模型是根据一定的等效原则，把一个具有复杂分散参 数体系的轨道结构，变换成一个具有少数自由度的质量一弹簧一阻尼集 总参数模型。 2 连续弹性基础梁模型 连续弹性基础梁模型将轨下基础看作均匀分布的整体地基，地基特 性符合胁七如r 假定，着重反映的是轨道系统最基本特性，主要用于分析 轨道结构整体的动力响应特性，连续弹性基础梁模型简单，参数少，计 算简单，可以用解析法求解。 3 连续弹性点支承梁模型 连续弹性点支承梁模型是将钢轨视为通过有限个弹性点来支承的 连续梁进行分析，又可分为屁妨梁模型( 只考虑钢轨弯曲变形1 和 砌。曲册幻梁模型( 考虑钢轨完全、剪切变形和旋转惯量1 。 第一章绪论 c 轮轨接触模型 轮轨接触关系是研究轮轨动力相互作用的基础，主要的模型有： 1 h 孵接触理论 早在1 9 世纪，上k 昭就用弹性力学理论研究了两个弹性体接触问题。 当两个弹性体有相反形状时，在压力作用下两弹性体接触面是椭圆，接 触区的形状、大小取决于弹性体外形、压力大小。假设车轮、钢轨为弹 性体，则轮轨在滚动接触中，符合觇陀接触理论。轮轨之间可以考虑为 非线形接触，轮轨之间的垂向力由日j r z 非线性接触理论确定。 2 忍l z k e r 滚动接触理论 j ，j 汤，k e r 比较完整的解决了两个弹性体在干摩擦下的滚动接触理 论，其研究成果可用于综合分析蠕滑和旋转对车辆运行稳定性的影响。 1 4 3 浮置板轨道动力学研究现状 浮置板轨道作为城市轨道交通的一种有效的减振降噪的轨道结构 形式，在城轨交通系统中有广泛的应用。铁道部科学研究院的姚京川对 浮置板轨道结构进行有限元模态分析。他利用有限元软件a n s y s 建立 二维有限元模型，计算浮置板轨道结构进行模态分析，分析了影响浮置 板固有频率的浮置板长度，质量，隔振器刚度等参数变化及规律，并对 不同参数下的浮置板轨道的动力特性进行了研究。北京交通大学张格妍 利用m a = r l a b 建立车辆一轨道系统二维模型，研究了在不同车速、不 同轨下支撑条件、不同浮置板下支撑条件下车辆一浮置板轨道系统的动 力响应情况。这些分析主要是针对二维平面模型展开的研究，对浮置板 轨道结构动力特性的研究还不是很完善。【1 0 1 1 】 北京交通大学硕士学位论文 铁道部科学研究院的周进雄做了浮置板轨道结构三围有限元静力 分析。他利用有限元软件a n s y s 来计算浮置板轨道结构的三维应力分 布。建立了一个考虑移动车辆影响的分析模型。计算了浮置板的下沉量 和应力分布，并确定了浮置板橡胶支座的刚度范围和浮置板的设计弯矩 值。他针对广州地铁中使用的橡胶支座浮置板轨道，采用了6 种不同的 荷载工况进行了三维有限元应力计算，以模拟轮载移动对浮置板受力的 影响。这个分析带有很多静力分析的特性。 1 5 本文主要研究意义及研究工作 1 5 1 本文研究意义 当列车通过敏感地段的时候，对振动能量控制要求比较高。浮置板 轨道正是为解决这个问题应运而生的一种减振性能很好的轨道结构形 式。浮置板轨道结构具有传统板式轨道结构的优点，同时还具有良好的 减振效果。通过对车辆一浮置板轨道系统可能出现的各种不平顺r 钢轨正 弦不平顺，钢轨焊缝不平顺，钢轨竖错不平顺) 的动力特性进行的分析， 并对列车在不同行车速度、空载以及满载条件下的浮置板轨道结构动力 性能进行的分析，以及对车辆一浮置板轨道系统的振动在土体的传播及 规律进行分析。通过对仿真计算结果的分析、评价，对浮置板轨道的设 计、施工及养护维修提出合理的建议。 1 5 2 本文主要研究内容 本文将以北京地铁车辆和北京地铁四号线中采用的钢弹簧浮置板 1 4 第一章绪论 轨道为基础，在车辆一轨道垂向空间耦合振动理论的基础上展开研究工 作，主要内容如下： a 建立车辆一钢弹簧浮置板轨道系统空间垂向耦合模型 运用车辆一轨道耦合系统动力学理论，利用多体动力学软件 a d m a s 瓜a i l 以及有限元软件a n s y s 建立尽量详细反映实际情况的钢 弹簧浮置板轨道车辆一轨道系统垂向空间耦合模型。 b 轨道不平预的动力特性分析 根据车辆一轨道耦合动力学理论建立的模型，对车辆一浮置板轨道 系统中可能出现的各种不平顺进行动力特性分析。 c 主要设计参数的影响规律的研究 研究车辆一浮置板系统不同参数选取对系统动力特性的影响，从而 实现浮置板轨道结构的动力性能分析和优化。 d 周围环境的振动的影响研究 研究安装浮置板轨道隧道区间列车通过时的振动对周围环境的振 动影响，及振动衰减规律。 北京交通大学硕士学位论文 命令组成。其中，程序设计语言部分与其它编程语言一样，具有参数、 数组表达式、函数、流程控制( 循环与分支) 、重复执行命令、缩写、 宏以及用户程序等。标准的a n s y s 程序运行是由1 0 0 0 多条命令驱动的， 这些命令可以写进程序设计语言编写的程序，命令的参数可以赋确定 值，也可以通过表达式的结果或参数的方式进行赋值。从a n s y s 命令的 功能上讲，它们分别对应a n s y s 分析过程中的定义几何模型、划分单元 网格、材料定义、添加载荷和边界条件、控制和执行求解和后处理计算 结果等指令。用户可以利用参数化程序设计语言a p d l 将a n s y s 命令组 织起来，编写出参数化的用户程序，从而实现有限元分析的全过程，即 建立参数化的c a d 模型、参数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、 参数化的载荷和边界条件定义、参数化的分析控制和求解以及参数化的 后处理。“” 利用a p d l 的程序语言与宏技术组织管理a n s y s 的有限元分析命 令，就可以实现参数化建模、旌加参数化荷载与求解以及参数化后处理 结果的显示，从而实现参数化有限元分析的全过程，同时这也是a n s y s 批处理分析的最高技术。在参数化的分析过程中可以简单地修改其中的 参数达到反复分析各种尺寸、不同荷载大小的多种设计方案或者序列性 产品。 本文主要以a n s y s 的a p d l 语言，建立有限元模型，对车辆一浮 置板轨道系统进行有限元分析。 2 1 3a 队m s r a i 和州s y s 的联合仿真接口 通过a n s y s 软件与a d a m s 软件之问的双向接口，可以很方便的 1 8 第二章车辆一浮置板轨道垂向空间模型的建立 考虑柔性体部件对机械系统运动的影响，并得到基于精确动力学仿真结 果的应力应变分析结果，提高分析精度。在a n s y s 软件中建立柔性体 部件的有限元模型并利用a d a m s m a c 宏文件生成a d a m s 软件所需要的 柔性体模态中性文件( i o b n a m e m f ) ；在a d a m s 软件中建立好刚性体的 模型，读入模态中性文件，指定好部件之间的连结方式，施加必要的载荷进 行系统动力学仿真，在分析完成后输出a n s y s 所需要的载荷文件( 1 0 d 文 件) ，此文件记录了运动过程中柔性体的运动状态和受到的载荷；在 a n s y s 程序中，将载荷文件中对应时刻的载荷施加到柔性体上对柔性 体进行应力应变分析。在联合仿真过程中需注意单位系统，由于在 a d a m s 程序中可以处理不同的单位系统，所以必须与a n s y s 分析所使 用的单位相同。 2 2 车辆一浮置板轨道垂向空间耦合系统数值分析原理 2 2 1 车辆系统a d 棚s 的数值分析原理 应用a d a m s 软件建立的多体动力学模型，其动力学方程进行动力学 分析时，a d a m s 软件的积分器可以分为两种：刚性和非刚性的积分器。 a 功能强大的变阶、变步长刚性积分器 g s t i f f ( g e a r ) 积分器、w s t i f f ( w i e l e n g as t i f f ) 积分器、 d s t i f f ( d a s s a l l ) 积分器和s 1 2 一g s t i f f ( s t a b i l i z e di n d e x 一2 ) 积分器。 此4 种积分器都使用肋f ( b a c k d if f e r e n c e f o r m u l a e ) 算法，前3 种积 分器采用牛顿一拉弗逊迭代方法来求解稀疏耦合的非线性运动学方程， 这种方法适于模拟刚性系统( 特征值变化范围大的系统) 。 b 非刚性的艏棚( d 鲫s b a s h f o r t h - d 鲫s uit o n ) 积分器 1 9 北京交通大学硕士学位论文 r e d u c e d 法通过采用主自由度及缩减矩阵压缩问题规模。在主自由 度处的位移被计算出来后，a n s y s 可将解扩展到初始的完整自由度集 上。 c - l o d es u p e r p o s i t i o n 南 通过模态分析得到的振型( 特征值) 乘上因子并求和来计算结构的响 应。它开销最小。可以指定振型阻尼。 e f u i l 法瞬态动力学分析过程 1 建模 在这一步中，首先要指定文件名和分析标题，然后用p r e p 7 定义单 元类型，单元实常数，材料性质及几何模型等。 2 加载 在这一步中，要定义分析类型及选项，加载，指定荷载步选项，并 开始有限元求解。 1 1 进入a n s y s 求解器 2 1 指定分析类型和分析选项 3 ) 在模型上加载 4 ) 保存当前荷载步设置到荷载步文件中 5 、开始求解 3 观察结果 瞬态动力学分析产生的结果保存在结构分析结果文件j o b n a m e r s t 中。利用后处理命令进行结果观察计算结果。 本论文采用瞬态分析的f u l l 法进行浮置板轨道结构的仿真计算。 第二章车辆一浮置板轨道垂向空闻模型的建立 2 3 车体模型的建立 a d a m s 瓜a i l 的建模思路如图2 1 所示，它是一种模块化，参数化 的建模方式，分别建立各个部件的独立模块然后对各个部件进行连接、 耦合，最终产生整车的模型。 黜 罴鬟三 i 黧： 劬。y d a r a m e t e r一 一一一j 一- 2 3 1 车辆模型理论基础 论文主要针对浮置板轨道建立空间耦合模型进行分析。由于浮置板 轨道结构多用于城市轨道客运系统中，故本论文模型打算采用具有二系 悬挂的车辆模型，共1 7 个自由度的整车垂向空间模型。 本文采用了二系悬挂的整车模型，相应的建立了二系悬挂的车辆方 程。列车在垂向空间内的运动关系，可以作为多刚体系统来考虑。模型 中车体、转向架三个自由垂向位移z 与测滚中点头声度，轮对包括 垂向位移z 与测滚中，共有1 7 个自由度，逐一应用达朗伯原理获得车辆 子系统的各振动方程如下： 表2 1 车辆系统基本参数的物理定义 符号物理定义 l 第礴台对中心线所在轨道处外轨超高角 北京交通大学硕士学位论文 丸， 第i 构架中心线所在轨道处外轨超高角 虬车体中心所在轨道处外轨超高角 r 村 第f 位轮对中心所在轨道处轨道中心线的曲率半径 r 0 车轮的名义滚动半径 。 第f 位轮对左轮的滚动半径 r m 第f 位轮对右轮的滚动半径 q 轮对的名义滚动角速度 l车辆定距之半 乜0左右轮轨接触点距离之半 a 车体运动 1 车体沉浮运动 心口- 口。屯一鼍丸。) 一。一如。一如：一k ：+ 丝g 2 车体点头运动 p - ( f 础一+ 。一，础：一匕：m 3 车体侧滚运动 l ( 九+ 蛾) = ( 匕。+ ，一如：一：矽。 b 转向架运动 1 转向架沉浮运动( f = 1 2 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) 第二章车辆一浮置板轨道垂向空间模型的建立 m 廖“卅。如一鼍珐j 高一，( 五- 1 ) 一，班( 五) + 一f 班( 苴- 1 ) 一( 苴) + mr g 2 转向架点头运动 成蕾【f 班( ) + ( ) 一( a ) 一( ) m 3 转向架侧滚运动 ，。磁+ 珐。) = 【，t 班( ) + ，赢( 复) 一，( 甜- 1 ) 一，采( 各) f ，+ 【f 删一f ； c 轮对运动 1 轮对沉浮运动( f = 1 ，2 ，3 ，4 ) 引。诫一丢u = 一f u f r 五一nl 五一n + f 啦+ f 毋+ m 。g 2 轮对侧滚运动 u l + 丸h 。( 允侧乏 = 口o ( 比+ “一一n ) + d 。( 一) 2 3 2 转向架模型的建立 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 转向架直接承载车体重量，保证车辆顺利通过曲线。同时，转向架 的各种参数也直接决定了车辆的稳定性和车辆的乘坐舒适性。车辆的转 向架由构架，轮对，轴箱，悬挂元件，弹簧，阻尼器等组成。a d a m s 瓜a i l 提供了车辆零部件的所有模板。模板采用参数化建模技术，可以使用户 可以根据需要进行更改。 北京交通大学硕士学位论文 a 轮对模型的建立 轮对是车辆与线路相连的部件，它是建立完整的车辆转向架的基 础。因此在a d a m s 瓜a i l 中建立车辆模型的建立中，轮对的建模是首要 的基础。a d a m s 瓜a i l 为双组轮对模型定义了一个方向为0 。踟。、0 。的结 构框架点，以便双轮对模型与转向架有相同的坐标方位。在模板建立器 中建立双轮对模型时，可以指定下列参数：参考坐标系，定义在两个轮 对及其几何图形的中心位置；质心c m 的位置，通常取相对于物体的位 置：轮对的质量和惯量，车轮滚动圆间距；轴间距；车轴长度；车轮半 径；左右车轮的属性文件；包含车轮踏面外形和车轮材料等信息。 b 悬挂系统的建立 a d a m s 瓜a i l 悬挂系统包括轮对与转向架构架之间的一系悬挂系统 和转向架和车体之间的二系悬挂系统。主要包括弹簧和阻尼两种部件。 其中弹簧还可以分为普通弹簧、空气弹簧等多种形式。 悬挂系统的建模主要方法是分别在轮对、转向架的机构上设置不同 的连接点，作为悬挂单元的起始坐标( h a r dp o i n t s ) ，然后建立新的弹簧 单元或者阻尼单元，并在单元属性中修改其刚度系数等各个参数。 c 转向架构架模型的建立 转向架构架是转向架系统的框架结构，它起到了挂载转向架中的各 个部件以及承载车体荷载的作用。这个部件比较简单，它本身不包括任 何其他部件。转向架构架由一个构架物体及其几何图形组成。 a d a m s 瓜a i l 创建构架模型时将构架坐标系放置在几何结构中心，并设 其方位为o 。、0 。、0 。选择两个结构框架点，它们方向如下：当它们处于 右边，设定它们的方向为1 8 0 。、9 0 。、1 8 0 。若它们处于左边，设定它们的 第二章车辆一浮置板轨道垂向空间模型的建立 方向为0 。、9 0 。、o 。选择双轮对。这时，构架的几何图形建立在双轮对模 型的参考坐标系上，用户可以指定质心c m 的位置在局部参考坐标系。 方向总是与物体方向一致。可以指定以下参数：创建的参数基底；双轮 对；前左右转向架；后左右转向架：构架的质量和惯量；构架的宽度； 侧架的宽度；侧架的高度；摇枕宽度；摇枕的z 方向偏移量。建立的转 向架模型如图2 2 所示： 图2 2 建立的转向架模型 2 3 3 车体模型的建立 一个a d a m s 瓜a i l 的标准车体模型由下列对象组成： 北京交通大学硕士学位论文 1 一个定义为车体的物体。 图2 3 建立的转向架模型 2 一个没有质量只有车体几何图形的物体。 3 上面两个物体之间的一个固接约束副。 m s c a d a m s 瓜a i l 创建车体时采用系统参考坐标系，并设定方向为 0 。、0 。、0 。车体的几何图形与物体之间可以有垂向偏移量，但两者的方 向一致。在局部参考坐标系下指定质心c m 的位置。质心c m 的方位与 车体相同。在模板建立器中创建车体元件，可以指定下列参数：参考坐 标系，定义车体位置及其几何图形的位置；质心c m 相对于车体的位置： 车体的质量和惯性参数；车体几何图形的垂向偏移量。建立图形如2 3 所示。 第二章车辆一浮嚣板轨道垂向空间模型的建立 2 3 4 车体模型和转向架模型的组装 a d a m s 瓜a i l ，连接器是组成集成模型各子系统之间进行连接匹配 图2 4 组装后的车辆模型 的关键部件。指定车辆序号，可以在一个集成系统模型中多次使用同一 模板。当创建一个转向架或车子系统时，必须指定车辆序号参数。同一 个车辆模型的车体、转向架及其附属部件应具有相同的车辆序号。建立 的模型如图2 4 所示。 北京交通大学硕士学位论文 2 4 轮轨接触模型 动态轮轨关系是车辆一轨道耦合动力学的核心，它是车辆子系统和 轨道子系统之间的连接纽带，二子系统之间的耦合与反馈作用均通过轮 轨关系来实现。 在垂向空间内，车辆子系统与轨道子系统之间的耦合作用，通过轮 轨接触实现。轮轨垂向作用力由著名的赫兹非线性弹性接触理论所确 定： 表2 2 车轨耦合基本参数的物理定义： 符号物理定义 g 轮轨接触常数( 历) 瑟( f ) 轮轨间的弹性压缩量( 小) r 车轮半径( 小) z = ( f )f 时刻第j 位轮的位移( m ) z ，o 两，f ) f 时刻第，位车轮下钢轨的位移( m ) s 由月p r 纪理论界定的应力常数 p 舻唔# 对于锥形踏面车轮 g ：4 5 7 r “- ”1 0 8 沏) 对于磨耗型踏面车轮 ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) 第二章车辆一浮置板轨道垂向空间模型的建立 g ；3 8 6 r 。0 1 1 5 1 0 - 8 佃免) ( 2 - 2 0 ) 轮轨间的弹性压缩量包括车轮静压量在内，可由轮轨接触点处车轮 和钢轨的位移直接确定： 配( f ) = z w ( f ) 一z ，g ，f ) j = 1 4 ( 2 - 2 1 ) 特别的，当配( f ) t0 时，表明轮轨已相互脱离，显然此时轮轨力p o ) = o 。 当轮轨界面存在位移不平顺z 。( f ) 输入时，轮轨力表达式为： 小，：船州一z ，一z o 哪 p 2 2 ， l 6 轮轨接触应力： 仃o ) = s i p ( f ) 】，3( 2 - 2 3 ) a d a m s r a i l 采用的轮轨单元模型为模拟一个轮对，必须定义左右 两个轮轨单元，一个用于左边轮轨接触，另一个用于右边的轮轨接触。 在定义轮对和轨道间的连接时，轮对可以是通过单个车轮或者是通过一 个轮对与轨道相连。对于非线性轮轨单元，可以在一个车轮上用两个连 接单元模拟同一个轮和两条轨的接触。轮轨接触单元不是建立在车轮上 的，而是建立在轮缘踏面上的( 图2 5 ) 。这样，可以模拟弹性车轮或者柔 性踏面车轮。这时，仅是车轮的踏面形状本身不改变。车轮的剐体轮缘 的旋转轴或非变形轮廓踏面都不再是车轮的物理轴，仅仅是几何中心。 建立轮轨单元模型时，轨道几何不平顺处理成轮轨接触点的位移输入h 。 由于轨道几何不平顺，轮轨间的相对位置不断改变，但相对速度并不变 化。由于几何误差或物 x 北京交通大学硕士学位论文 岭固闫象 ll 囤+ 臼露 1w - 一rl 髓一血 i 厂一弋 图2 5 弹性车辆和柔性踏面车轮的轮轨接触模型 n 图2 - 6 轨道几何不平顺和车轮不圆度误差 a 阻蝴s 瓜a j 】的轮轨单元有三种类型。 a 线性轮轨单元 这种单元用锥度、接触角和侧滚角参数描述轮轨运动学关系。首先 定义已知轮轨的锥度、接触角和侧滚角参数，进而分析它们的影响。线 性轮轨单元主要用于车辆稳定性分析，计算车辆的临界速度。 b 预算表格形式的非线性轮轨单元 第三荸竿籀一事彰酗越誊良耄基矍馐霎嘎溷j 蹲缔屿预 强薹 耳帮霹吐 萋季羹薹薹霪 l 善萎强葡城鳆心臻 蓁雾尊塞喜褰 i 主二吕蔓i ；输霎 坌嚣罂茭趸管 雪主萋熏霎 墓? 蓦“ 荔箨蠹 艇翻黯醑釜茄醚d | 糸上塞i 孳j i 害n ；s m 霆奚薹 确秭箍翱髦簿习1 攒目g i 窒裢占剐 至薹薹妻暮 北京交通大学硕士学位论文 2 接触斑的计算 将接触线转换到 嬲坐标系，分析车轮的轮廓线和接触线在不变形 情况下的侵入量，如果没有侵入发生，就不会有接触。假设不变形轮廓 线的侵入量为6 ，描述弹性变形变比例关系为： 屯一忠 ( 2 - 2 4 ) 轨道踏面和车轮接触线的交叉点描述了接触斑的横向宽度。假设钢 轨的纵向是笔直的。将这一区域分割成多个窄条，则可计算出接触斑的 形状。将每一窄条沿纵向延伸可 x 第二章车辆一浮置板轨道垂向空间模型的建立 触域的法向力。 本文选用轮轨几何轮廓文件进行动态计算的通用非线性轮轨单元 计算。 2 5 轨道系统不平顺的模拟 轮轨系统不平顺是引起车辆一轨道耦合系统振动的根源。轨道结构 形成的不平顺主要有以下几个方面： a 轨道正弦不平颇( s i n u s o i d a i ir r e 鲥i a r i t j e s ) 轨道几何状态不平顺可以用单个或多个简谐波来近似描述。例如在 世界上各国铁路上普遍存在的钢轨波浪形磨耗，呈现在钢轨顶面的是一 定间距的起伏不平的波浪形态；当车轮质心和几何中心偏离的时候， x 第二章车辆一浮置板轨道垂向空间模型的建立 c ，繇舔萋卿墅掣壁蓉l ；重囊 ? 蠢复l “；g l 望= ! 崭答舒缁辗掣! 叁荔鞑咄雾狂卿缝；翌犁妊警釜矗鬟；竿圭矗爱 套绪妊型昂诺芊翁酪妇冀萎黪骺娶并耸圆剐；掣民w 曩甄彰唾菇矬醐蹦 冀i 一；i 荔蠡量奏藿 强漾墨! 美霎壁霉板羹箝荔冀等釜髻霹品篇嚣銎卷鞠赢搿警釜矗锻糊整 地琵。嚣祷诨森翼嚣 垂显露銎曼鎏型场刊匣驰喜对系统的作用 ，并取如下参数进 行计算：积分时间步长o 0 1 秒，列车运行速度8呖l j l ，正弦波幅 j i l = 加川，车辆状况空载，车辆一浮置板轨道动力影登榭鋈缦滤 示： x 北京交通大学硕士学位论文 瞳l t + c l 五，+ k l q = 【q l ( 2 之8 ) 在轨道结构中，钢轨是主要的部件，随着地铁车辆轴重加大，年通 过总运量的增长以及列车速度的提高，目前各国城市轨道交通都有选用 重型钢轨的趋势。本文采用6 0 培m 的重型无缝钢轨进行分析。钢轨采 用s o u d 6 5 实体单元进行划分。为了保证有限元模型计算的精度，先把 钢轨截面划分成平面3 2 个有限单元，然后，拖拉成空间模型单元。建 立的模型如图2 1 3 所示。 图2 13 钢轨有限元划分 3 8 第二章车辆一浮置板轨道垂向空间模型的建立 2 6 2 浮置板轨道有限元模型 浮置板视为支撑在弹簧与线性阻尼上的有限长自由渗；留博淄壤 崾型馐演璞鳕簋黔联i ；警锈锤季；i i ；曲面懿巍霞j 钢轨位移疆镫垫囊濯 耱鲶醚霹剿鲤黯嚣韩辅甜篓鎏漂i 签羹蠢鸶霾鬻囊笾强鬓琵嚣雾l 罄鱼鋈；二鏊塞1 ；j 冀雾；z 羹叁 l 耋。垂暨； 妻矍冀塞) l 玉麓夔萋裴鬟；篓i 受霉型矍鸶鎏萤霞鬟 6 01 1 7 9 4 20 鹏2 8o 7 4 8 81 2 2 3 0 第二章车辆一浮置板轨道垂向空舔j 萋潞融豢姜打l 纛鋈鏊噶四馐囊蒌目k 鼓引乳戮引i 美、掣薹薹 赢娑蒴鎏莛蓠一壕堪堪襄| 舔譬一蚴州崾。型蓄债州划蠢；r 蓍o ；辜澜 鼎蕊菠鬻疆群博到童著鞋a 蜷1 一燃