[发明专利]分析高速铁路无砟轨道车轨耦合振动的移动单元方法

说明书

本发明公开了一种分析高速铁路无砟轨道车轨耦合振动的新型移动单元方法，建立考虑离散的轨道垫块的三层Timoshenko梁振动方程，通过引入随车辆运动的移动坐标，对控制方程进行变换，并采用Galerkin方法建立轨道的质量、刚度和阻尼矩阵；采用非线性Hertz模型将轨道MEM单元和10自由度车辆多体动力学模型进行耦合，最后采用Newton‑Raphson迭代方法和Newmark积分方法进行求解。通过计算移动荷载下轨道动力响应，得到不同使用环境下的轨道实际使用情况或受损状况，并进行相对性设计或整修，增加使用寿命，提高运行安全性，减少使用成本。相比于其它分析方法，可大幅地提高计算效率，更加符合现实，准确有效。

技术领域

本发明属于无砟轨道技术领域，具体涉及一种分析高速铁路无砟轨道车轨耦合振动的移动单元方法。

背景技术

无砟轨道，是以混凝土、沥青砂浆替代离散颗粒道碴道床而组成的轨道结构型式，参照图 1，包括自上至下依次设置的轨道1、轨道垫块2、钢筋混凝土轨道板3、水泥沥青砂浆层4、混凝土基础5以及路基6。无砟轨道具有轨道稳定性高，刚度均匀性好，结构耐久性强和维修工作量少等特点，相较于传统的有砟轨道具有更好的适应性，现已成为我国主流的高速列车轨道结构形式。随着列车运行速度的不断提高，为了不断提升列车运行的安全性和舒适性、并延长轨道使用寿命，关于无砟轨道车轨系统计算模型和仿真技术的研究和开发一直是国内外研究的热点问题之一。

目前，最常用的求解列车轨道问题及研究轨道动态特性的方法是各种解析方法(如：拉普拉斯变换、傅立叶变换、快速傅立叶变换、模态叠加等)和有限元方法(FiniteElement Method，简称FEM)等。其中，解析法仅适合于弹性地基上的无限梁等简单问题的求解。

采用有限元方法进行动力分析时，需要建立多层梁、梁-板或梁-实体单元等一定长度的轨道模型。由于有限元法中采用固定的全局坐标系来建立结构单元矩阵，当车辆移动时，必须同时更新荷载以跟踪车轮的移动。为了得到准确的分析结果，需要较小的计算时间步长和单元网格划分。另外，轨道的计算模型长度也必须足够长，以消除两端的边界效应和避免车辆驶出边界。随着列车运行速度的大幅提升，上述问题将更加突出，从而导致有限元法的计算模型大，计算量大，效率低下。

移动单元法(Moving Element Method，简称MEM)通过将截取的轨道模型离散成与移动车辆一起“流动”的单元，使车辆始终处于模型中心的“静止”状态。该方法不仅消除了跟踪车轮位置(加载点)的必要，而且消除了车辆驶出边界的可能性，因此，可大幅度减小轨道计算模型的规模。鉴于MEM的突出优点，已有研究人员将MEM应用于连续梁上移动荷载和列车轨道问题。例如，华东交通大学雷晓燕教授等将轨道简化为由连续的支撑的三层Euler-Bernoulli 梁(欧拉-伯努利梁)等模型。但据文献资料看，研究人员在应用MEM模拟车轨系统振动时，有以下三个方面不足：(1)轨道多采用Euler-Bernoulli梁模型，计算理论不足；(2)忽略轨道离散支撑的影响，计算模型不足；(3)多是采用密贴模型或线性接触模型处理轮轨耦合问题。

综上所述，为了不断提高列车运行的安全性和平稳性，对于已有研究车辆和轨道动力特性的方法，还有需要进行不断改进。

发明内容

本发明提供了一种分析高速铁路无砟轨道车轨耦合振动的移动单元方法，通过计算移动荷载下轨道动力响应，得到不同使用环境下的轨道实际使用情况或受损状况，并进行相对性设计或整修，增加使用寿命，提高运行安全性，减少使用成本。

为达到上述目的，本发明所述一种分析高速铁路无砟轨道车轨耦合振动的移动单元方法，

所述技术方案主要包括以下步骤：