基于模型減縮理論的高速列車車輛—軌道垂向耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及應(yīng)用

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1、學(xué)校代號10532學(xué)號S12021006分類號U27;O32密級公開碩士學(xué)位論文基于模型減縮理論的高速列車車輛—軌道垂向耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及應(yīng)用學(xué)位申請人姓名陳元昌培養(yǎng)單位機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院導(dǎo)師姓名及職稱張農(nóng)教授學(xué)科專業(yè)機(jī)械工程研究方向振動(dòng)與噪聲控制論文提交日期2015年5月27日學(xué)校代號:10532學(xué)號:S12021006密級:公開湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文基于模型減縮理論的高速列車車輛—軌道垂向耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及應(yīng)用學(xué)位申請人姓名：陳元昌導(dǎo)師姓名及職稱：張農(nóng)教授培養(yǎng)單位：機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院專業(yè)名稱：機(jī)械工程論文提交日期：2015年5月27日論文答辯日期：2015年6月2日答辯委員會主席：程

2、軍圣教授AnalysisandApplicationofHigh-SpeedTrainVehicle-TrackVerticalCouplingSystemDynamicsBasedonModelReductionMethodbyCHENYuanchangB.E.(QingdaoTechnologicalUniversity)2012AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofScienceinMechanicalEngineeringintheGraduateSchoolofHun

3、anUniversitySupervisorProfessorZHANGNongMay,2015湖南大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人邦重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研巧所取得的研巧成果。除了義中特別加臥驚注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品，均己在文中抖明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。：作者簽名：震日期２ｗｒ年會月叫＾學(xué)位論女版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并巧國家有關(guān)部口或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電

4、子版，允許論文被查閱和借閱。本Ｊ人授權(quán)湖南大學(xué)可ｌ＾ｌ將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可封采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于１、□在。保密，年解密后適用本授權(quán)書２、不保密山‘‘?。ㄕ?jiān)谂P上相應(yīng)方框巧打）為、支＾冥＜＾作者簽名：曰親么／戶年＾月曰９；導(dǎo)師簽名：日期：月曰滬也令高速動(dòng)車組車輛—軌道垂向耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及其模型簡化摘要為解決分析高速列車車輛—軌道耦合系統(tǒng)振動(dòng)行為所建立的有限元模型計(jì)算效率低的問題，基于模型減縮理論，由簡單到復(fù)雜先后建立了移動(dòng)集中力減縮模型、輪軌接觸減縮模型和考慮車體和構(gòu)

5、架彈性的車輛—軌道耦合減縮模型。本文探究了將模型減縮法引入到結(jié)構(gòu)受移動(dòng)載荷問題建模過程中，以提高其動(dòng)力響應(yīng)求解效率的可行性，并基于該原理建立了實(shí)用的高速列車車輛—軌道耦合系統(tǒng)的高效計(jì)算模型。本論文具體開展和完成了如下研究工作：（1）在對受移動(dòng)載荷的梁結(jié)構(gòu)建模時(shí)，利用模型減縮法將原有限元模型減縮為少自由度數(shù)的減縮模型，移動(dòng)載荷先后被考慮成為移動(dòng)集中力和移動(dòng)質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)。把模型減縮法引入到受移動(dòng)載荷結(jié)構(gòu)的建模中與載荷施加位置不變情況的區(qū)別在于，隨著載荷從一個(gè)梁單元移動(dòng)到另一個(gè)梁單元上，原有限元模型的主坐標(biāo)需要重新選擇，減縮模型的系數(shù)矩陣需要重新計(jì)算。雖然這個(gè)過程會額外增加計(jì)算負(fù)擔(dān)，但由于運(yùn)

6、動(dòng)方程規(guī)模的大大縮小，模型的總體計(jì)算時(shí)間仍然得到極大的減少。為了闡明并驗(yàn)證該方法的有效性，首先將其用于受移動(dòng)集中力作用的簡支梁的建模中，再應(yīng)用于鐵道車輛輪軌接觸動(dòng)態(tài)分析的建模中。數(shù)值算例表明，在精度保證的前提下，減縮模型相比解析模型和原有限元模型能夠更高效地求解移動(dòng)載荷作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)問題。（2）開發(fā)了高計(jì)算效率的數(shù)值仿真模型來研究高速列車車輛—軌道垂向耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。車輛和軌道被視為系統(tǒng)的兩個(gè)子結(jié)構(gòu)，車體、構(gòu)架和鋼軌均采用歐拉梁模型，并由彈簧阻尼對來支承，這可以用來研究車輛部件的彈性對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響?；诠潭ń缑孀咏Y(jié)構(gòu)法，對子結(jié)構(gòu)的內(nèi)部自由度進(jìn)行縮減，并采用Hertz接觸理論

7、將兩個(gè)子結(jié)構(gòu)耦合。雖然在計(jì)算過程中運(yùn)動(dòng)方程的系數(shù)矩陣需要不斷更新，但減縮模型的規(guī)模大大減小，并且兩個(gè)子結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程是同步求解的，而非采用迭代法，算例表明減縮模型的總體運(yùn)算效率仍然得到極大的提高。通過與現(xiàn)有文獻(xiàn)中一經(jīng)典模型進(jìn)行比較，討論了該模型的精度和計(jì)算效率。另外介紹了模型的一個(gè)工程應(yīng)用。（3）基于泰勒級數(shù)展開式提出了一種用于結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析的高精度時(shí)程積分方法，該方法假設(shè)某時(shí)刻的速度和加速度由該時(shí)刻和前后各一個(gè)時(shí)刻的