基于車(chē)輛—軌道結(jié)構(gòu)垂向耦合系統(tǒng)的數(shù)值積分方法的應(yīng)用與研究

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1、、中圖分類(lèi)號(hào)：Ｕ２１１．５密級(jí)：公開(kāi)ＵＤＣ：本校編號(hào)：確Ｗ交遺乂華碩±學(xué)位論文基于車(chē)輛一軌道結(jié)構(gòu)垂向搞合系統(tǒng)論文題目＾的數(shù)值積分方法的底巧與研究研究生姓名：程力學(xué)號(hào)：０２１２２７１學(xué)校指導(dǎo)教師姓名；劉永孝職稱(chēng)：副教授申請(qǐng)學(xué)位等級(jí)；工學(xué)碩壬專(zhuān)業(yè)；道碟與鐵道工程論文提交日期２０１５．０４５．０６：論文答辯日期；２０１獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加Ｗ標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包

2、含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含獲得蘭州交通大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。■學(xué)位論文作者簽名：簽字曰期：Ｍ年月曰學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解蘭她巧通大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán)蘭州巧通大學(xué)可Ｗ將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編Ｗ供查閱和借閱。同意學(xué)校向國(guó)家有關(guān)部口或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)。

3、（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明）＇％：簽ｉ４＞；學(xué)位論文作者簽名導(dǎo)師名ｌ■／〇２＿？戸７簽１辟１４：＾日：《月簽字日期年月日字期日＾碩士學(xué)位論文基于車(chē)輛-軌道結(jié)構(gòu)垂向耦合系統(tǒng)的數(shù)值積分方法的應(yīng)用與研究BaseonVehicle-TrackVerticalCouplingSystemNumericalIntegrationMethodsandResearch作者姓名：程力學(xué)科、專(zhuān)業(yè)：道路與鐵道工程學(xué)號(hào)：0212271指導(dǎo)教師：劉永孝完成日期：2015.04蘭州交通大學(xué)LanzhouJiaotongU

4、niversity蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下，隨著我國(guó)“一路一帶”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出和建設(shè)，軌道交通不僅作為我國(guó)最主要的交通運(yùn)輸方式而且還是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的命脈。而鐵路交通運(yùn)輸具有安全性能好、時(shí)間正點(diǎn)率高、運(yùn)載能力大和運(yùn)行速度快的特點(diǎn)，同時(shí)又具備能源消耗低、環(huán)境影響輕、占地面積少的優(yōu)點(diǎn)，在世界各國(guó)得到了迅速發(fā)展。然而，隨著市場(chǎng)建設(shè)對(duì)列車(chē)運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)載重量以及運(yùn)輸密度要求的不斷增加，列車(chē)的高速重載化使得車(chē)輛和軌道結(jié)構(gòu)相互之間的動(dòng)態(tài)作用日趨增強(qiáng)，影響列車(chē)行駛安全性、乘車(chē)舒適性以及軌道結(jié)構(gòu)可靠度的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題亦越加顯著

5、。因此，有必要對(duì)車(chē)輛?軌道系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究分析。本文主要工作和研究?jī)?nèi)容如下：（1）在車(chē)輛-軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)和軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的合理簡(jiǎn)化和假定，建立車(chē)輛-軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)垂向耦合動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算模型；根據(jù)非線性Hertz彈簧接觸理論等效處理輪軌間垂向接觸作用力，按照“對(duì)號(hào)入座”的方法分別建立車(chē)輛系統(tǒng)和軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣以及阻尼矩陣，最終組集整個(gè)系統(tǒng)的總矩陣得到車(chē)輛運(yùn)動(dòng)微分方程和軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)微分方程。（2）在平面內(nèi)基于靜態(tài)輪軌接觸幾何關(guān)系理論，借助輔助軟件獲得離散坐標(biāo)點(diǎn)后推導(dǎo)出LM

6、型和LMA型車(chē)輪踏面以及60kg/m級(jí)鋼軌廓型的數(shù)學(xué)表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上編寫(xiě)了計(jì)算程序，用于計(jì)算平面內(nèi)輪軌靜態(tài)接觸點(diǎn)處的最小垂向距離進(jìn)而通過(guò)對(duì)比確定輪軌接觸點(diǎn)位置。（3）介紹了脈沖型不平順、諧波不平順和幾種常見(jiàn)軌道不平順的種類(lèi)以及函數(shù)表達(dá)式，給出了不同軌道不平順的時(shí)域樣本，作為輸入激擾。（4）介紹了兩類(lèi)垂向耦合動(dòng)力學(xué)的數(shù)值分析方法，四種隱式方法包括Park法、Newmark法、Houbolt法和Wilson-β法，兩種顯式方法包括中心差分法和翟婉明提出的新型顯示積分法。結(jié)合各類(lèi)數(shù)值方法的特點(diǎn)提出了應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)模型的求解步驟，并

7、列出了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值求解的程序流程圖，編制了計(jì)算程序以應(yīng)用于求解模型動(dòng)力學(xué)方程。（5）以軌道不平順時(shí)域樣本作為輸入激擾結(jié)合建立的垂向耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，利用時(shí)域數(shù)值積分法對(duì)系統(tǒng)的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行計(jì)算分析。在此基礎(chǔ)上，得到了不同數(shù)值積分方法對(duì)于軌道不平順激勵(lì)下車(chē)輛-軌道結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)的基本規(guī)律，對(duì)于數(shù)值分析方法在動(dòng)力模型的中的應(yīng)用具有重要的理論意義。（6）選用固定模型計(jì)算計(jì)算分析了以諧波型不平順、短波不平順以及美國(guó)六級(jí)軌道譜高低不平順作用激擾下，車(chē)輛-軌道結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)在不同數(shù)值積分方法下的振動(dòng)響應(yīng)，得出各種數(shù)值積分方

8、法的計(jì)算優(yōu)劣。-I-基于車(chē)輛-軌道結(jié)構(gòu)垂向耦合系統(tǒng)的數(shù)值積分方法應(yīng)用與研究（7）與隱式方法和中心差分法不同，新型顯式方法的積分過(guò)程較為簡(jiǎn)捷，積分過(guò)程中不論阻尼矩陣如何復(fù)雜，只要方程組質(zhì)量矩陣是對(duì)角陣或經(jīng)過(guò)對(duì)角化，都無(wú)須求解線性代數(shù)方程組。同等計(jì)算條件下不但節(jié)省了計(jì)算內(nèi)存與時(shí)間，而且在分析實(shí)