基于车辆—轨道结构垂向耦合系统的数值积分方法的应用与研究

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1、、中图分类号：Ｕ２１１．５密级：公开ＵＤＣ：本校编号：确Ｗ交遺乂華硕±学位论文基于车辆一轨道结构垂向搞合系统论文题目＾的数值积分方法的底巧与研究研究生姓名：程力学号：０２１２２７１学校指导教师姓名；刘永孝职称：副教授申请学位等级；工学硕壬专业；道碟与铁道工程论文提交日期２０１５．０４５．０６：论文答辩日期；２０１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Ｗ标注和致谢之处外，论文中不包

2、含其他人已经发表或撰写过的研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：签字曰期：Ｍ年月曰学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解兰她巧通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权兰州巧通大学可Ｗ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Ｗ供查阅和借阅。同意学校向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘。

3、（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）＇％：签ｉ４＞；学位论文作者签名导师名ｌ■／〇２＿？戸７签１辟１４：＾日：《月签字日期年月日字期日＾硕士学位论文基于车辆-轨道结构垂向耦合系统的数值积分方法的应用与研究BaseonVehicle-TrackVerticalCouplingSystemNumericalIntegrationMethodsandResearch作者姓名：程力学科、专业：道路与铁道工程学号：0212271指导教师：刘永孝完成日期：2015.04兰州交通大学LanzhouJiaotongU

4、niversity兰州交通大学硕士学位论文摘要经济新常态下，随着我国“一路一带”战略目标的提出和建设，轨道交通不仅作为我国最主要的交通运输方式而且还是国民经济和社会发展的命脉。而铁路交通运输具有安全性能好、时间正点率高、运载能力大和运行速度快的特点，同时又具备能源消耗低、环境影响轻、占地面积少的优点，在世界各国得到了迅速发展。然而，随着市场建设对列车运行时间、运载重量以及运输密度要求的不断增加，列车的高速重载化使得车辆和轨道结构相互之间的动态作用日趋增强，影响列车行驶安全性、乘车舒适性以及轨道结构可靠度的动力学问题亦越加显著

5、。因此，有必要对车辆−轨道系统耦合动力学问题进行研究分析。本文主要工作和研究内容如下：（1）在车辆-轨道结构系统耦合动力学理论的基础上，根据对车辆系统和轨道结构系统的合理简化和假定，建立车辆-轨道结构系统垂向耦合动力学分析计算模型；根据非线性Hertz弹簧接触理论等效处理轮轨间垂向接触作用力，按照“对号入座”的方法分别建立车辆系统和轨道结构系统的质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵，最终组集整个系统的总矩阵得到车辆运动微分方程和轨道结构振动微分方程。（2）在平面内基于静态轮轨接触几何关系理论，借助辅助软件获得离散坐标点后推导出LM

6、型和LMA型车轮踏面以及60kg/m级钢轨廓型的数学表达式，在此基础上编写了计算程序，用于计算平面内轮轨静态接触点处的最小垂向距离进而通过对比确定轮轨接触点位置。（3）介绍了脉冲型不平顺、谐波不平顺和几种常见轨道不平顺的种类以及函数表达式，给出了不同轨道不平顺的时域样本，作为输入激扰。（4）介绍了两类垂向耦合动力学的数值分析方法，四种隐式方法包括Park法、Newmark法、Houbolt法和Wilson-β法，两种显式方法包括中心差分法和翟婉明提出的新型显示积分法。结合各类数值方法的特点提出了应用于动力学模型的求解步骤，并

7、列出了对系统进行数值求解的程序流程图，编制了计算程序以应用于求解模型动力学方程。（5）以轨道不平顺时域样本作为输入激扰结合建立的垂向耦合系统动力学模型，利用时域数值积分法对系统的随机振动响应规律进行计算分析。在此基础上，得到了不同数值积分方法对于轨道不平顺激励下车辆-轨道结构耦合系统随机振动的基本规律，对于数值分析方法在动力模型的中的应用具有重要的理论意义。（6）选用固定模型计算计算分析了以谐波型不平顺、短波不平顺以及美国六级轨道谱高低不平顺作用激扰下，车辆-轨道结构耦合系统在不同数值积分方法下的振动响应，得出各种数值积分方

8、法的计算优劣。-I-基于车辆-轨道结构垂向耦合系统的数值积分方法应用与研究（7）与隐式方法和中心差分法不同，新型显式方法的积分过程较为简捷，积分过程中不论阻尼矩阵如何复杂，只要方程组质量矩阵是对角阵或经过对角化，都无须求解线性代数方程组。同等计算条件下不但节省了计算内存与时间，而且在分析实