地铁车辆—隧道动力非线性耦合系统数值模拟方法与应用

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1、上海交通大学硕士学位论文地铁车辆-隧道动力非线性耦合系统数值模拟方法与应用硕士研究生：胡豹学号：1120209083导师：金先龙教授申请学位：工学硕士学科：机械设计与理论研究方向：复杂结构数值模拟所在单位：机械与动力工程学院答辩日期：2015年1月授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterNUMERICALSIMULATIONMETHODANDAPPLICATIONOFMETROVEHICLE-TUNELDYNAMICNONLINEARCOUPLEDSYSTEMCandid

2、ate：HuBaoStudentID:1120209083Supervisor：Prof.JINXianlongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalDesignandTheoryNumericalSimulationofComplexResearchInterests:StructureAffiliation：SchoolofMechanicalEngineeringDateofDefence：Jan,2015Degree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTong

3、University上海交通大学硕士学位论文地铁车辆-隧道动力非线性耦合系统数值模拟方法与应用摘要随着中国城市地铁轨道交通的发展迈进快速膨胀阶段，不同种类的隧道成为地铁轨道交通建设和发展的非常重要的组成部分，因此有必要对车辆高速交会及多工况运行对隧道衬砌的影响展开深入的研究。数值模拟是一种高效的研究方法，它能够将很多以往受某些因素的制约而不能高效地实施理论研究以及试验验证的繁杂理论以及实际工程难题，经过某些计算机软件的数值模拟获得相对圆满的答案。本文将地铁车辆-隧道动力非线性耦合系统进行三维非线性整体建模，对该系统开展了深入的数值仿真研究。以南京地铁十号线过江隧道工程三维仿真模拟为工程应用背景

4、，针对地铁车辆和隧道提出了动力非线性耦合的三维数值建模方法，并根据设计方提供的设计图纸和勘探资料建立了地铁车辆-隧道动力非线性耦合系统的全三维数值仿真模型，地铁车辆为刚-柔耦合多体动力学有限元模型，土体为弹塑性分层模型，并用粘弹性人工边界模拟无限域。模型考虑了系统各个部分如衬砌与土体之间、车辆与轨道之间不同类型的耦合作用，整体模型逼近真实情况。在建立的地铁车辆-隧道动力非线性耦合系统数值模型的基础上，对该系统开展了深入的数值仿真研究。开展了隧道-土体系统的初始工况仿真，在隧道衬砌、道床、隔板、平台、烟道板、牛腿等内部结构完工以后，该耦合系统在土体内部压力、自身重力以及外水压力三者一致作用下的起

5、始形变以及应力状况对大型隧道工程的结构动力响应分析至关重要，为符合实际情况并得到正确的结果，需要考虑土体和隧道结构等系统重要组成部分在非运营状态下的初始静应力场，系统的初始静应力场是后续系统动力学性能模拟分析的基础；开展了单洞双线隧道中地铁车辆交会仿真，以系统初始静应力场为初I摘要始条件，仿真模拟了实际运营中地铁车辆在隧道中交会的全过程，并与单车运行工况进行了对比，得到地铁车辆交会的全过程对隧道衬砌的动态影响规律；开展了地铁车辆多工况运行仿真，将实际运营中地铁车辆存在的牵引、惰行、制动等3种工况简化为地铁车辆在隧道中的匀加速、匀速和匀减速运动，在考虑系统初始应力的基础上，得到隧道衬砌在地铁车辆

6、多工况运行时的动态响应规律。模拟过程符合实际,数值模拟结果表明地铁车辆交会和地铁车辆多工况运行导致隧道衬砌应力和位移分别局部瞬时变化，其震荡变化幅值较小，隧道在地铁车辆交会和地铁车辆多工况运行时是稳定的。关键词：地铁车辆，单洞双线隧道，双车交会，多工况运行，数值模拟，动态响应II上海交通大学硕士学位论文NUMERICALSIMULATIONMETHODANDAPPLICATIONOFMETROVEHICLE-TUNELDYNAMICNONLINEARCOUPLEDSYSTEMABSTRACTWiththedevelopmentofChineseurbansubwaytraffictowards

7、thestageofrapidexpansion,differentkindsoftunnelbecomeveryimportantpartsinthesubwaytrafficconstructionanddevelopment,itisnecessaryhavingintensiveresearchoftheimpactontunnelsubjectedtononstopcrossingofo