基于UM软件的高速铁路车桥系统振动响应参数分析

2019-09-24 08:50

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2019年3期

(云南省交通规划设计研究院，云南昆明 650021)

高速铁路车辆过桥时一定要保证运行安全，因此对车桥系统进行了很多研究，Xia He et al对车桥振动在20世纪90年代就进行了研究工作[1]。夏禾等又进行了车桥墩相关规律的研究[2]，并在此基础上利用子结构法把车-桥系统和桩土系统作为相互作用系统对考虑桩土的车桥系统进行了研究[3]，后来又在车桥系统基础上研究了风-车-桥系统[4]和地震车桥系统[5]和波浪作用下车桥[6]的影响规律。张骞等对沪通长江大桥在风车桥作用下的响应进行了研究，得到了车辆运行的安全风速[7]。本文建立了车-桥耦合系统的振动分析模型，用UM软件进行计算分析，得到了列车速度、桥梁横向刚度、桥梁阻尼和列车数量对车桥系统响应影响规律。

1 车桥系统的建立

机车和车辆的模型各31个自由度，前后转向架、车体各5个自由度，即沉浮、横摆、侧滚、点头、摇头，轮对有4个自由度，即摇头、横摆、沉浮、侧滚，如图1。

图1 车辆模型图

车辆的31个自由度表示如下：uv={zv，φv，θv，yv，ψv，zt1，φt1，θt1，yt1，ψt1，zt2，φt2，θt2，yt2，ψt2，zw1，θw1，yw1，ψw1，zw2，θw2，yw2，ψw2，zw3，θw3，yw3，ψw3，zw4θw4，yw4，ψw4}T。

z,φ,θ,y,ψ分别表示沉浮、点头、侧滚、横摆、摇头自由度；下标v表示车体的自由度，下标t表示转向架的自由度，下标wi表示轮对的自由度。

把车辆的31个自由度用动力学原理建立运动方程，矩阵形式如下

(1)

式中，{pv}表示施加在车辆上自由度的荷载向量。

桥梁用有限元法，桥梁采用梁单元模拟。桥梁振动方程为

(2)

式(1)和式(2)中右端的pb和pv是在车辆、桥梁上的轮轨力。桥梁受到的荷载中包含车辆的自由度，车辆的轮轨力也包含桥梁的自由度，竖向轮轨力如下(采用赫兹非线性理论确定)

(3)

(4)

式中，pri(t)、pli(t)分别为左轨、右轨竖直方向作用力；w为轮对的轴重；zir(t)、zil(t)分别为t时刻对应第i个轮对处钢轨的竖向位移；ztj、θtj、φtj分别为转向架的沉浮、侧滚、点头自由度；G为轮轨接触常数，锥形踏面车轮G=4.57r0-0.149×10-8(m/N2/3), 磨耗形踏面车轮G=3.86r0-0.115×10-8(m/N2/3)；Zwi(t)为t时刻第i个轮对的动位移。

蠕滑力按照车辆动力学的原理进行计算分析。

建立了车辆和桥梁的振动方程，用UM软件计算，采用Newmark-β或振形叠加法对车桥系统进行分析，能得到车桥系统参数的影响规律。

2 UM软件

Universa1 Mechanism(UM)程序是大型动力学计算程序，UM程序里提供车辆轨道的模型模块。还可以通过ANSYS软件的开发，实现外部子系统的开发和内部系统的车轨耦合，形成大的车桥系统进行模拟[8]。

3 车桥系统响应分析

为研究车桥系统响应的影响规律，桥梁采用24 m简支梁，桥梁支座采用简支约束，即一端约束X、Y、Z、RX，另一端约束Y、Z。轨道刚度相对桥梁刚度非常小，可以忽略。车辆采用我国的高速车辆。编组为：1动车+9拖车+动车。仿真开始前模型与桥梁相距50 m，速度分别取：180 km/h、200 km/h、220 km/h、250 km/h、270 km/h、300 km/h、320 km/h、350 km/h进行仿真。