列车制动热力耦合振动对隧道结构扰动分析

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1、硕士学位论文列车制动热力耦合振动对隧道结构的扰动分析TheAnalysisofDisturbanceofTrainBrakingConsideringtheThermalCouplingVibrationonTunnelStructure作者姓名：魏云鹏学科、专业：桥梁与隧道工程学号：0212215指导教师：吴亚平完成日期：2015.04.15兰州交通大学LanzhouJiaotongUniversity独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发

2、表或撰写过的研究成果，也不包含获得兰州交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解兰州交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权兰州交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年

3、月日签字日期：年月日兰州交通大学硕士学位论文摘要为了分析列车制动对隧道结构扰动的影响，探究列车制动热力耦合情况下的隧道结构的响应，本文依据有限元软件ANSYS，建立了列车制动轮轨摩擦热直接热力耦合的三维有限元模型和三维的隧道结构计算模型，并选用了详细的模型计算参数，对列车制动轮轨摩擦热和隧道振动响应进行了全面的分析，取得了一些重要的研究结果。本文首先推导了列车制动轮轨摩擦传热的控制方程，给出了列车-隧道结构的振动有限元迭代方程；其次建立了列车制动轮轨摩擦热直接耦合的三维有限元模型和隧道结构的计算模型，选取了计算用的详细的材料参数和力学参数，并且

4、说明了有限元的计算方法；最后计算分析了列车制动轮轨摩擦热等的分布规律和轮轨系统的振动特性，用取得的钢轨底面弹性地基的振动加速度值作为隧道结构振动的激励，研究了隧道结构在该激励下的响应，给出了隧道结构振动的时程曲线图和列车制动末时刻的振动特性云图。本文研究主要的结论有以下几方面。在列车制动轮轨静态接触方面，轮轨触斑的形状近似于椭圆形，轮轨接触斑的面积约为113mm2；车轮最大的等效应力值为599.3MPa，距离车轮表面0.45mm，钢轨的最大等效应力值为559.6MPa，距离钢轨表面0.17mm。在列车制动轮轨瞬态热分析方面，先分析了轮轨摩擦热与

5、摩擦系数之间的关系，计算结果表明当摩擦系数随温度变化时，钢轨表面温度场及其外轮廓随着制动速度的增加变化较为明显，主要是由于钢轨弯曲变形和轮轨接触区域弹塑性变形导致列车向前运动的主矢方向不断发生变化以及车轮在竖向发生轻微移动造成的。常摩擦系数计算获得的钢轨表面温度场及其外轮廓之间具有相似性，但不同于摩擦系数随温度变化时的计算结果；另外列车制动摩擦热深度影响范围在2.6mm~3.4mm之间。对于车轮而言，在制动速度为1m/s时，当摩擦系数随温度变化时其表面的高温区的中心位置处于温度场的前缘区，摩擦系数为常量时高温的中心位置处在温度场的中心位置。另外

6、，当摩擦系数随温度变化时最高温度和最低温度之间的变化范围大于常摩擦系数最高最低温度之间的变化范围。列车通过隧道时强对流环境对钢轨表面的温度场和钢轨表面的热通量影响很小，不同对流换热系数对列车轮轨摩擦热温度场的影响在10℃的范围内，计算结果说明隧道强对流环境对列车在短时间内制动引起的轮轨摩擦热的影响可以忽略掉，计算中对流换热系数可以取20W/(m2·℃)~25W/(m2·℃)。在隧道结构的振动方面，隧道结构的振动随着列车的制动过程的推进呈现出不断波动的变化态势，隧道衬砌结构振动的最大最小加速度值分别为0.4332g和-0.5873g，列车制动引起

7、的隧道衬砌结构的竖向位移变化的最大最小值分别为1.031mm和-1.947mm。-I-列车制动热力耦合振动对隧道结构的扰动分析在应力场和应变方面，应力应变将随着列车的制动呈现出周期性的变化，使隧道结构处在一个交变的循环荷载下。隧道衬砌结构顶部横向应力应变的振动方向与底部的振动方向相反，而在隧道拱圈左边的竖向应力应变的波动方向与右边的变化方向相同；同时结果显示，在列车制动末时刻隧道拱圈的顶部和隧道底面的竖向应变较大，并且在隧道底面出现一个半椭圆状的压缩区域。本文的研究结果将会对今后对列车制动轮轨摩擦热的产生机理和轮轨表面温度场的分布规律方面的研究

8、产生积极的作用，同时也为隧道结构在列车通过时引起的振动进行补充和完善。关键词：列车制动；热力耦合；对流换热；隧道振动论文类型：应用研究-II-兰州交通