基于模型减缩理论的高速列车车辆—轨道垂向耦合系统动力学分析及应用

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1、学校代号10532学号S12021006分类号U27;O32密级公开硕士学位论文基于模型减缩理论的高速列车车辆—轨道垂向耦合系统动力学分析及应用学位申请人姓名陈元昌培养单位机械与运载工程学院导师姓名及职称张农教授学科专业机械工程研究方向振动与噪声控制论文提交日期2015年5月27日学校代号:10532学号:S12021006密级:公开湖南大学硕士学位论文基于模型减缩理论的高速列车车辆—轨道垂向耦合系统动力学分析及应用学位申请人姓名：陈元昌导师姓名及职称：张农教授培养单位：机械与运载工程学院专业名称：机械工程论文提交日期：2015年5月27日论文答辩日期：2015年6月2日答辩委员会主席：程

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

3、anUniversitySupervisorProfessorZHANGNongMay,2015湖南大学学位论文原创性声明本人邦重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研巧所取得的研巧成果。除了义中特别加臥惊注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体体已经发表或撰写的成果作品，均己在文中抖明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。：作者签名：震日期２ｗｒ年会月叫＾学位论女版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并巧国家有关部口或机构送交论文的复印件和电

4、子版，允许论文被查阅和借阅。本Ｊ人授权湖南大学可ｌ＾ｌ将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可封采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于１、□在。保密，年解密后适用本授权书２、不保密山‘‘小（请在臥上相应方框巧打）為、支＾冥＜＾作者签名：曰親么／户年＾月曰９；导师签名：日期：月曰沪也令高速动车组车辆—轨道垂向耦合系统动力学分析及其模型简化摘要为解决分析高速列车车辆—轨道耦合系统振动行为所建立的有限元模型计算效率低的问题，基于模型减缩理论，由简单到复杂先后建立了移动集中力减缩模型、轮轨接触减缩模型和考虑车体和构

5、架弹性的车辆—轨道耦合减缩模型。本文探究了将模型减缩法引入到结构受移动载荷问题建模过程中，以提高其动力响应求解效率的可行性，并基于该原理建立了实用的高速列车车辆—轨道耦合系统的高效计算模型。本论文具体开展和完成了如下研究工作：（1）在对受移动载荷的梁结构建模时，利用模型减缩法将原有限元模型减缩为少自由度数的减缩模型，移动载荷先后被考虑成为移动集中力和移动质量弹簧阻尼系统。把模型减缩法引入到受移动载荷结构的建模中与载荷施加位置不变情况的区别在于，随着载荷从一个梁单元移动到另一个梁单元上，原有限元模型的主坐标需要重新选择，减缩模型的系数矩阵需要重新计算。虽然这个过程会额外增加计算负担，但由于运

6、动方程规模的大大缩小，模型的总体计算时间仍然得到极大的减少。为了阐明并验证该方法的有效性，首先将其用于受移动集中力作用的简支梁的建模中，再应用于铁道车辆轮轨接触动态分析的建模中。数值算例表明，在精度保证的前提下，减缩模型相比解析模型和原有限元模型能够更高效地求解移动载荷作用下结构的动力响应问题。（2）开发了高计算效率的数值仿真模型来研究高速列车车辆—轨道垂向耦合系统的动态行为。车辆和轨道被视为系统的两个子结构，车体、构架和钢轨均采用欧拉梁模型，并由弹簧阻尼对来支承，这可以用来研究车辆部件的弹性对系统动态特性的影响。基于固定界面子结构法，对子结构的内部自由度进行缩减，并采用Hertz接触理论

7、将两个子结构耦合。虽然在计算过程中运动方程的系数矩阵需要不断更新，但减缩模型的规模大大减小，并且两个子结构的运动方程是同步求解的，而非采用迭代法，算例表明减缩模型的总体运算效率仍然得到极大的提高。通过与现有文献中一经典模型进行比较，讨论了该模型的精度和计算效率。另外介绍了模型的一个工程应用。（3）基于泰勒级数展开式提出了一种用于结构动力响应分析的高精度时程积分方法，该方法假设某时刻的速度和加速度由该时刻和前后各一个时刻的