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板式轨道竖向静动力特性分析

作　者: 林长森
导　师: 唐进锋
学　校: 中南大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 高速铁路板式轨道有限元静力学特性动力学特性
分类号: U213.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

对于300-350km／h的高速铁路,无砟轨道结构被认为是首选方案。由于无砟轨道仍处于发展阶段,对于它计算研究理论还需要不断完善。面对在突飞猛进的客运专线建设大潮中板式轨道大范围使用的情况,加强板式轨道静力和动力方面的研究显得尤为必要。本文选用博格板式无砟轨道结构型式,视板式无砟轨道系统为梁-板-实体-板组合结构体系,建立基于组合结构体系的有限元模型。钢轨采用弹性点支承梁模型；扣件采用线性弹簧模拟；轨道板与混凝土支承层采用板壳单元进行模拟；砂浆根据其实际拓扑形状采用实体单元进行模拟,凝土支承层采用了弹性地基板进行模拟。为消除边界效应,模型选取三块轨道板进行计算,以中间轨道板作为研究对象。对无砟轨道在动轮重荷载作用下结构变形及受力等反应的分析方法进行研究。对于静力部分的求解,通过编制ANSYS命令流计算得出分析结果,其分析方法简便,并具有良好的通用性。此分析方法既充分考虑了结构各部分的几何特点,又考虑了其材料属性的特征,既方便又科学。当列车以一定的速度通过轨道时,车辆和轨道都要在空间各个方向上产生振动,列车振动主要来源于轨道不平顺。在车辆受到不平顺激扰后,产生包括竖向、横向和纵向等各个方向的振动,由于车辆和轨道两个系统振动是一种耦合的关系,这种耦合振动最终要通过结构传递形成输出,基于这种观点,目前对轨道结构动力响应的研究是以轮轨之间的激励为输入,以轮轨接触点为分界面,向上传递给车辆,向下施加于轨道,以研究轮轨之间的相互作用力为纽带,建立两个相互独立的物理系统——车辆系统和轨道系统的相互耦合作用关系来研究轨道结构的动力响应。本文通过MSC.ADAMS/Rail建模计算车辆的各种相关指标,再把其中的轮轨力施加到利用ANSYS建立的相应轨道竖向动力模型中计算轨道的响应,探索出计算轨道动力学问题的新方法。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-22
  1.1 引言  9-10
  1.2 无砟轨道概况  10-17
    1.2.1 国外情况  10-16
    1.2.2 国内情况  16-17
  1.3 板式无砟轨道研究现状  17-19
    1.3.1 国外情况  17-18
    1.3.2 国内情况  18-19
  1.4 本文研究的意义  19-20
  1.5 本文主要研究内容和方法  20-21
  1.6 本章小结  21-22
第二章板式无砟轨道结构计算理论和竖向静力模型  22-38
  2.1 板式轨道结构组成及特点  22-26
    2.1.1 博格板式轨道的技术特点  22-23
    2.1.2 博格板式轨道的结构设计  23-26
  2.2 弹性地基梁理论  26-29
    2.2.1 概述  26-27
    2.2.2 弹性地基梁模型  27-28
    2.2.3 多重叠合梁模型  28
    2.2.4 弹性地基梁模型在轨道结构竖向受力计算中的应用  28-29
  2.3 有限单元法  29-32
    2.3.1 概述  29
    2.3.2 有限单元法基本原理  29-30
    2.3.3 有限单元法分析过程  30-32
  2.4 板式轨道结构竖向静力计算模型的建立  32-37
    2.4.1 板式轨道的建模思想  32-33
    2.4.2 板式轨道竖向静力模型  33
    2.4.3 单元的划分  33-34
    2.4.4 有限单元形式平衡方程的建立  34-37
      2.4.4.1 钢轨梁单元  34
      2.4.4.2 钢轨扣件胶垫离散弹簧单元  34
      2.4.4.3 轨道板或水硬性材料支撑层弹性薄板单元  34-37
      2.4.4.4 各单元的结合  37
      2.4.4.5 有限单元形式平衡方程  37
  2.5 本章小结  37-38
第三章板式无砟轨道竖向动力模型  38-51
  3.1 竖向动力建模思路  38
  3.2 ADAMS软件介绍  38-40
    3.2.1 虚拟样机技术在铁路机车车辆开发中的应用  38-39
    3.2.2 ADAMS软件简介  39-40
  3.3 ADAMS软件的算法原理  40-43
    3.3.1 ADAMS软件中的坐标系  40-41
    3.3.2 模型自由度  41-42
    3.3.3 动力学方程的建立  42
    3.3.4 ADAMS软件的求解类型  42-43
  3.4 ADAMS/Rail模块介绍  43-45
    3.4.1 ADAMS/Rail概述  43-44
    3.4.2 ADAMS/Rail建模  44
    3.4.3 ADAMS/Rail仿真分析  44-45
    3.4.4 ADAMS/Rail后处理  45
  3.5 ADAMS/Rail中模型的建立  45-47
    3.5.1 车辆模型  45-46
    3.5.2 ADAMS/Rail中轨道模型  46-47
    3.5.3 轮轨接触模型  47
  3.6 利用ANSYS建立轨道竖向动力模型  47-50
    3.6.1 有限单元法的求解及ANSYS软件的介绍  47-49
    3.6.2 板式轨道竖向动力建模思想  49
    3.6.3 板式轨道竖向动力模型  49-50
  3.7 本章小结  50-51
第四章板式轨道竖向静力特性分析  51-60
  4.1 轨道板的设计计算  51-52
    4.1.1 荷载和计算参数  51
    4.1.2 容许应力  51
    4.1.3 轨道板截面应力计算  51-52
  4.2 轨道板厚度对轨道结构静力特性的影响  52-53
  4.3 扣件刚度对轨道结构静力特性的影响  53-55
  4.4 砂浆弹性模量对轨道结构静力特性的影响  55-56
  4.5 基础刚度对轨道结构静动特性的影响  56-58
  4.6 水硬性材料支承层厚度对结构静力特性的影响  58-59
  4.7 本章小结  59-60
第五章板式轨道竖向动力特性分析  60-71
  5.1 车辆—轨道系统激励模型  60-62
    5.1.1 轨道几何不平顺  60-62
    5.1.2 轨道随机不平顺激扰模型  62
  5.2 轨道不平顺的影响  62-70
  5.3 本章小结  70-71
第六章结论及展望  71-73
  6.1 本文完成的主要工作  71-72
  6.2 今后须努力的方向  72-73
参考文献  73-79
致谢  79-80
攻读学位期间的主要研究成果  80

板式轨道竖向静动力特性分析

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