基於格子波爾茲曼法的車-線-橋耦合動力分析及套用

《基於格子波爾茲曼法的車-線-橋耦合動力分析及套用》是依託華中科技大學，由陳志軍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於格子波爾茲曼法的車-線-橋耦合動力分析及套用
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳志軍
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

高速鐵路的安全運營是鐵路部門普遍關心的問題。隨著大跨徑混凝土橋樑的大量修建和無碴軌道的推廣，列車-軌道-橋樑動力耦合問題表現出新的特點和難點，高速運行條件下橋樑的使用性能及養護決策成為新的研究方向。本項目將在目前國內外關於該問題的研究與套用基礎上，利用格子波爾茲曼演化模型模擬車輛在軌道上高速運行問題，探索一種全新的基於格子波爾茲曼法、無格線法和有限元耦合的大系統建模理論、框架和方法，全面考慮車輛與軌道、軌道與橋樑的接觸關係，構建精細化車-線-橋耦合振動分析模型和計算平台，並用現場測試數據驗證數值模擬結果，研究車-線-橋耦合動力學行為以及車輛、軌道、橋樑相互作用機理，從而解決大跨度鐵路橋樑的精細化動力設計難題以及車輛與軌道的接觸算法問題，能為此類橋樑的設計、加固、健康監測和養護提供決策依據與技術支持，本研究的立項選題具有鮮明的工程套用背景以及理論創新性，具有很好的工程套用價值。

結題摘要

項目圍繞高速鐵路車輛-軌道-橋樑耦合系統動力學特性核心問題，採用多學科交叉研究方法，基於大系統建模理論和方法，構建了精細化的車-線-橋耦合分析模型和計算平台，對影響大跨徑預應力混凝土高速鐵路橋樑長期性能的徐變變形及影響列車走行性的軌道隨機不平順等因素進行了較為深入研究，系統分析了高速鐵路橋樑的動力行為和輪軌接觸機理。針對輪軌接觸的複雜行為，項目採用格子Boltzmann方法對軌道進行了動邊界模擬，採用動態接觸算法真實考慮輪軌型面幾何參數研究了軸重、摩擦係數、橫向偏移的變化對輪軌接觸性能的影響，同時研究了不同踏面形式及輪徑與CHN75 鋼軌的匹配性能。針對無碴軌道與橋樑接觸問題，採用無格線法與有限元耦合的新型數值方法進行了無碴軌道CAM層劣化行為研究，同時研究了無格線法與有限元法的耦合方法，拓展了無格線法在橋樑結構分析中的套用。在此基礎上，以赫茲彈簧單元考慮輪軌接觸，以彈簧-阻尼單元考慮橋軌接觸提出了一類整合了車輛、軌道和橋樑的耦合單元（2D和3D），研究了車-線-橋耦合組裝和求解方法，並以該類單元為核心編制了車-線-橋耦合動力分析程式，並對程式和耦合單元進行了驗證。項目以該程式為工具，進行了車-線-橋耦合單元組合長度影響分析，探討了組合單元的精度和效率及其單元長度的合適取值範圍；分析了軌道脈衝型不平順對耦合系統的影響，揭示出輪軌接觸力對列車安全運行有非常重要的影響，並表明該方法能精確模擬車輪瞬時脫離現象。提出了根據波長區間分析隨機不平順及其影響的思路和方法，討論了兩個波長區間下所提方法的準確性，並結合我國現有鐵路橋樑現狀精細分析了各波長區間不平順的具體影響，得到了高速鐵路養護和維修中應重點關注5m以下短波長範圍不平順的重要結論，指出了有必要對各種波長不平順進行控制以提高乘坐舒適度。最後，研究了橋樑工後變形對耦合系統動力回響的影響，進行了多跨簡支梁橋徐變變形對車-線-橋耦合系統的影響分析，研究了隨機不平順和徐變變形組合影響及其控制措施分析，研究了多跨簡支梁橋橋墩基礎沉降對車-線-橋耦合系統動力回響的影響。