一种列车作用下边墩沉降处纵连桥轨系统界面动态接触特性分析方法技术方案

本发明专利技术公开一种列车作用下边墩沉降处纵连桥轨系统界面动态接触特性分析方法，通过建立考虑桥轨界面动态接触的列车

【技术实现步骤摘要】
一种列车作用下边墩沉降处纵连桥轨系统界面动态接触特性分析方法


[0001]本专利技术涉及一种列车作用下边墩沉降处纵连桥轨系统界面动态接触特性分析方法。

技术介绍

[0002]纵连板式无砟轨道
‑
桥梁系统在我国高铁线路中应用广泛，该系统由钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆层、底座板、滑动层、主梁、支座、桥墩、桩基等组成。其最大的特点是轨道板(底座板)沿纵向连接为整体，减少了板间接缝所导致的轨道不平顺，同时自由端的减少也提高了轨道力学性能。但其纵向连接特性导致其对桥墩沉降的抵抗性较差，一旦桥墩发生沉降，梁体会随之发生竖向位移，铺设在梁体上的纵连无砟轨道也会发生弯曲变形，及桥轨界面接触不连续。如图1(a)所示，当列车通过沉降区前，桥墩沉降致梁体发生变形，轨道在自重下也发生“跟随性”变形，此时，纵连无砟轨道
‑
桥梁系统稳定至新的静平衡状态后，轨道产生静态附加几何不平顺和桥轨界面“脱开”；当列车通过沉降区时，沉降墩处桥轨界面会出现“贴合”的动态接触状态，使轨道产生动态不平顺(图1(b))；当列车通过沉降区后，桥轨界面又将出现“脱开”的接触状态(图1(c))，桥轨界面逐步劣化，加剧轮轨振动，如此往复，恶性循环，对行车平稳性和安全性造成恶劣影响。
[0003]近年来，针对车桥耦合系统静态接触模型开展列车对桥轨界面静态接触性状影响的研究较多，例如，Gou等基于所提出的桥轨变形映射解析模型，深入研究了桥梁附加变形对列车
‑
桥梁系统动力响应的影响机理和变化规律。勾红叶等建立了含层间构件接触刚度突变影响的桥轨变形映射通用模型，对桥梁附加变形与行车安全的定量关系进行了研究，进一步将轨道层间构件刚度突变纳入考虑范围内，揭示了层间构件接触刚度突变对桥轨界面接触性状的影响规律。Xiao等分析了轨道轨下支承失效对车辆动态响应及乘坐舒适度的影响，得出了扣件失效对列车动态脱轨的影响呈指数变化规律。Feng基于Castigliano第二定理和线性叠加原理推导了桥墩沉降与线桥系统层间界面联结失效间的表征模型，基于该表征模型分析桥墩沉降引起线桥系统层间界面联结失效的发展规律。然而现有的研究大多聚焦于路基或简支梁桥轨界面间的静态接触特性，对于超静定连续梁边墩沉降处，列车荷载导致桥轨界面“开
‑
合”动态接触不连续出现位置、产成机理及发展规律的研究较少见。
[0004]因此，探明列车作用下，桥墩沉降处桥轨系统界面动态接触行为及其对列车动态性能的影响，是保障线路的服役安全亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]针对上述存在的问题，本专利技术提供一种列车作用下边墩沉降处纵连桥轨系统界面动态接触特性分析方法，通过建立考虑列车作用的边墩沉降处纵连桥轨系统界面动态接触特性的耦合动力学模型，分析列车通过沉降区前、时及后不同状态下桥轨结构动态位移变化特征，附加应力动态变化规律及层间联结动态变化特征，为评判列车平稳和安全的在桥
上运行和桥轨服役性能提供一定理论依据。具体技术方案如下：
[0006]一种列车作用下边墩沉降处纵连桥轨系统界面动态接触特性分析方法，包括如下步骤：
[0007]第一步：建立考虑桥轨界面动态接触的列车
‑
纵连线桥系统耦合非线性动力模型；
[0008]第二步：根据所建模型和相关轮轨接触理论，计算轮轨法向力和轮轨切向力；
[0009]第三步：根据列车
‑
纵连线桥系统层间实际联结特征和接触关系，组装列车
‑
纵连线桥系统耦合非线性动力模型；
[0010]第四步：采用现有的动力学模型验证所建立的列车
‑
纵连线桥系统耦合非线性动力模型的正确性；
[0011]第五步：设定边墩沉降值，分析列车通过沉降区前、时及后桥轨结构动态变化特征和桥轨界面层间联结动态变化特征。
[0012]前述的列车作用下边墩沉降处纵连桥轨系统界面动态接触特性分析方法，步骤一中，所建立的列车
‑
纵连线桥系统耦合非线性动力模型为CRH380A动车组列车；其单节列车由一个车体、两个转向架、四个轮对组成，且列车车体、转向架、轮对均为刚体；列车与转向架考虑沉浮、横移、侧滚、点头、摇头五个自由度，轮对考虑横移与摇头两个自由度；设置车体单元属性为离散实体单元并转换为壳单元，转向架为离散刚体拉伸单元，轮对为解析刚体旋转壳单元；车轮与转向架间由一系悬挂连接，转向架与车体间由二系悬挂连接，在ABAQUS仿真软件中均采性弹簧和阻尼笛卡尔连接器，车轮踏面采用LMA磨耗型踏面。
[0013]前述的列车作用下边墩沉降处纵连桥轨系统界面动态接触特性分析方法，步骤二中，所述计算轮轨法向力和轮轨切向力，其中：
[0014]轮轨法向接触采用HERTZ非线性弹性接触，其法向力计算如下：
[0015][0016]式中：
[0017]p(t)—轮轨法向力(N)，
[0018]G—轮轨接触常数(m/N
3/2
)，
[0019]△
Z(t)—车轮与轨道间弹性压缩量(m)，
[0020]t—时间(s)；
[0021]轮轨切向力由轮轨法向力与摩擦系数确定，其表达式为：
[0022]F＝p(t)
×
μ
[0023]式中：
[0024]μ—摩擦系数，
[0025]F—轮轨切向力(N)，
[0026]p(t)—轮轨法向力(N)；
[0027]前述的列车作用下边墩沉降处纵连桥轨系统界面动态接触特性分析方法，
[0028]所述车轮与轨道间弹性压缩量
△
Z(t)表示在轮轨接触处车轮与钢轨间的相对位移，其具体计算公式为：
[0029]△
Z(t)＝Z
wj
(t)
‑
Z
r
(x
rj
,t)
[0030]式中：
[0031]w—为车轮，
[0032]j—为车轮位置，
[0033]r—为钢轨，
[0034]Z
wj
(t)—顺序为j位车轮在t时刻的位移量(m)，
[0035]Z
r
(x
rj
,t)—顺序为j位车轮下钢轨在t时刻的位移量(m)，t＝1，2，3，4；
[0036]当
△
Z(t)<0时，即车轮与钢轨脱离接触时，轮轨法向力p(t)＝0；
[0037]设在接触面位置处车轮位移为Z0(t)，则轮轨法向力表达式为：
[0038][0039]式中：G＝3.86R
‑
0.115
×
10
‑8，R为车轮半径。
[0040]前述的列车作用下边墩沉降处纵连桥轨系统界面动态接触特性分析方法，步骤三中，所述组装列车
‑
纵连线桥系统耦合非线性动力模型，具体为：
[0041]轨枕本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种列车作用下边墩沉降处纵连桥轨系统界面动态接触特性分析方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步：建立考虑桥轨界面动态接触的列车
‑
纵连线桥系统耦合非线性动力模型；第二步：根据所建模型和相关轮轨接触理论，计算轮轨法向力和轮轨切向力；第三步：根据列车
‑
纵连线桥系统层间实际联结特征和接触关系，组装列车
‑
纵连线桥系统耦合非线性动力模型；第四步：采用现有的动力学模型验证所建立的列车
‑
纵连线桥系统耦合非线性动力模型的正确性；第五步：设定边墩沉降值，分析列车通过沉降区前、时及后桥轨结构动态变化特征和桥轨界面层间联结动态变化特征。2.根据权利要求1所述的列车作用下边墩沉降处纵连桥轨系统界面动态接触特性分析方法，其特征在于：步骤一中，所建立的列车
‑
纵连线桥系统耦合非线性动力模型为CRH380A动车组列车；其单节列车由一个车体、两个转向架、四个轮对组成，且列车车体、转向架、轮对均为刚体；列车与转向架考虑沉浮、横移、侧滚、点头、摇头五个自由度，轮对考虑横移与摇头两个自由度；设置车体单元属性为离散实体单元并转换为壳单元，转向架为离散刚体拉伸单元，轮对为解析刚体旋转壳单元；车轮与转向架间由一系悬挂连接，转向架与车体间由二系悬挂连接，在ABAQUS仿真软件中均采性弹簧和阻尼笛卡尔连接器，车轮踏面采用LMA磨耗型踏面。3.根据权利要求1所述的列车作用下边墩沉降处纵连桥轨系统界面动态接触特性分析方法，其特征在于：步骤二中，所述计算轮轨法向力和轮轨切向力，其中：轮轨法向接触采用HERTZ非线性弹性接触，其法向力计算如下：式中：p(t)—轮轨法向力(N)，G—轮轨接触常数(m/N
3/2
)，
△
Z(t)—车轮与轨道间弹性压缩量(m)，t—时间(s)；轮轨切向力由轮轨法向力与摩擦系数确定，其表达式为：F＝p(t)
×
μ式中：μ—摩擦系数，F—轮轨切向力(N)，p(t)—轮轨法向力(N)；4.根据权利要求3所述的列车作用下边墩沉降处纵连桥轨系统界面动态接触特性分析
方法，其特征在于：所述车轮与轨道间弹性压缩量
△
Z(t)表示在轮轨接触处车轮与钢轨间的相对位移，其具体计算公式为：
△
Z(t)＝Z
wj
(t)
‑
Z
r
(x
rj
,t)式中：w—为车轮，j—为车轮位置，r—为钢轨，Z
wj
(t)—顺序为j位车轮在t时刻的位移量(m)，Z
r
(x
rj
,t)—顺序为j位车轮下钢轨在t时刻的位移量(m)，t＝1，2，3，4；当
△
Z(t)<0时，即车轮与钢轨脱离接触时，轮轨法向力p(t)＝0；设在接触面位置处车轮位移为Z0(t)，则轮轨法向力表达式为：式中：G＝3.86R
‑
0.115
...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯玉林，何帅，何彬彬，谈遂，吴子轩，周旺保，蒋丽忠，余建，
申请(专利权)人：中南大学高速铁路建造技术国家工程研究中心，
类型：发明
国别省市：