[发明专利]一种输出中高频响应的车-轨-桥耦合振动频域分析方法

说明书

本发明公开了一种输出中高频响应的车‑轨‑桥耦合振动频域模型，采用先选取车‑轨‑桥耦合振动仿真预测参数并输入车‑轨‑桥耦合模型中，根据车辆动力学方程及轨道‑桥梁耦合模型分别求解车轮导纳矩阵、轨道导纳矩阵，根据轮轨相互作用模型求解轮轨接触弹簧导纳矩阵并代入动态轮轨力公式求得动态轮轨力；最后将求得的动态轮轨力代入车辆运动方程、轨道‑桥梁耦合模型运动方程作为车辆模型和轨道‑桥梁耦合模型的激励源，进一步求解动态轮轨力引起的车辆、轨道和桥梁结构频域动力响应；该方法能够揭示车‑轨‑桥结构振动和能量产生与传递的机理及影响规律，从而为有针对性的采取减振降噪措施提供理论依据。

技术领域

本发明涉及一种输出中高频响应的车-轨-桥耦合振动频域模型，可应用于高架轨道交通车辆、轨道及桥梁结构中、高频振动响应的预测，模型输出的上述中高频响应可作为轨道交通环境振动及噪声预测的激励源，进而为研究轨道交通环境振动及噪声问题提供理论支持。

背景技术

随着社会经济的发展和城市化进程的不断推进，交通问题日益突出。轨道交通作为一种大容量交通运输工具，能有效解决客流大密度出行问题，对经济发展的推动作用不容忽视。轨道交通高架线路由于建设周期短、费用低，具有很好的线路平顺性和稳定性，同时可以更为可靠地控制地基长期沉降等优点，在整个轨道交通线路中占有很大比例。但是，高架轨道交通车辆运行引起的环境振动问题及噪声辐射问题却在某种程度上降低了它的优势。随着人们生活水平的提高，公众对振动和噪声问题的容忍度不断降低，并由此引发了诸多社会问题。

轨道交通车辆在运行过程中，钢轨表面和车轮踏面之间的组合不平顺引起动态轮轨力，动态轮轨力向上传递给列车引起车辆振动，向下传递给轨道致使轨道结构振动，轨道结构的振动再经由轨道支承系统传递给桥梁结构，进而引发桥梁结构的振动和噪声辐射问题。因而，准确建立车-轨-桥耦合振动分析模型，探明车-轨-桥耦合系统中振动能量的产生和传递机理对控制高架轨道交通环境振动及噪声问题具有重要作用。

传统的对车-轨-桥耦合系统进行建模和动力分析时通常建立时域模型，但时域模型主要用于分析列车运行时桥梁结构的强度，关注的桥梁结构振动频率通常低于20Hz，然而，高架轨道交通环境振动问题关注的振动频率范围为1～80Hz，而高架轨道交通噪声问题关注的频率范围则更高，若采用时域方法建立车-轨-桥耦合振动分析模型，则输出的响应难以用于对轨道交通环境振动及噪声进行准确预测。

因此，提出一种输出中高频响应的车-轨-桥耦合振动频域模型至关重要，通过该模型计算输出的响应更适合于高架轨道交通环境振动及噪声预测，该方法能够揭示车-轨-桥结构振动和能量产生与传递的机理及影响规律，从而为有针对性的采取减振降噪措施提供理论依据。

发明内容

本发明的目的是提出一种输出中高频响应的车-轨-桥耦合振动频域模型，解决传统的对车-轨-桥耦合系统进行建模和动力分析时通常建立时域模型，但时域模型主要用于分析列车运行时桥梁结构的强度，关注的桥梁结构振动频率通常低于20Hz，然而，高架轨道交通环境振动问题关注的振动频率范围为1～80Hz，而高架轨道交通噪声问题关注的频率范围则更高，若采用时域方法建立车-轨-桥耦合振动分析模型，则输出的响应难以用于对轨道交通环境振动及噪声进行准确预测的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种输出中高频响应的车-轨-桥耦合振动频域模型，包括以下几个步骤：

第一步、选取车-轨-桥耦合振动仿真预测所包含的车辆参数、轨道结构参数、轮轨组合粗糙度谱、桥梁结构参数及行车速度参数；

第二步、根据步骤(一)所选的车辆参数，建立10个自由度的车辆模型，且沿纵向的1/2车体、1/2转向架和车轮均考虑为刚体，考虑车体和转向架的沉浮、点头自由度以及车轮的沉浮自由度；

通过逐一对各刚体应用D′Alembert原理，并根据车辆系统运动方程表达式：