下载文档原格式
3种车桥耦合振动分析模型对比研究发表时间：2018-10-01T17:27:10.827Z 来源：《基层建设》2018年第26期作者：宋腾腾[导读] 摘要：本文对比了在2个1/4车模型、2个1/4车模型（改变其弹簧刚度）和1/2车模型3种车辆模型在相同速度时的跨中位移影响情况。
温州市市政工程建设开发公司浙江温州 325002摘要：本文对比了在2个1/4车模型、2个1/4车模型（改变其弹簧刚度）和1/2车模型3种车辆模型在相同速度时的跨中位移影响情况。
对比说明：当车速小于130km/h时，3种模型跨中位移响应曲线都比较吻合，当进行公路桥梁车辆耦合振动分析时可采用两个四分之一模型来模拟。
关键词：振动；车桥耦合振动；车辆模型 1 引言车桥耦合问题，在100多年前就吸引了很多的研究者进行研究.现有的研究[1-3]为了求解简便，将车桥耦合的车辆和桥梁模型简化了。
近几年，很多国内研究者都尝试使用数值方法来求解，比如文献[4]把汽车模拟成三维模型，使车和桥相互作用作为整体来建立振动微分方程组，使用数值方法解得了公路简支梁、连续梁桥的动力响应；文献[5-6]使用达朗伯原理创建了简支梁桥车桥耦合的分析模型，使用数值方法将其求解；文献[7]使用New-mark逐步积分法求解匀变速移动质量和简支梁耦合系统的情况。
为分析车辆模型因素对研究车桥耦合问题的影响，文中对比了3种不同车辆模型———2个1/4车模型、2个1/4车模型（改变其弹簧刚度）和1/2车模型的在不同速度下的位移响应情况，先对其整体规律进行对比分析，再分析各种模型的异同。
2 模型建立2.1 四分之一车模型车辆模型见图1，车辆采用弹簧-阻尼-质量系统来模拟。
图中：为车体质量；为构架加上轮对的质量；为一系垂向刚度；为一系垂向阻尼；为二系垂向刚度；为二系垂向阻尼；为车辆通过桥梁时的速度（为定值）。
车辆和车体的振动方程式如下：，.使用分离变量法，假设.由简支梁的边界条件，令，再根据主振型的正交性，得到桥梁受力作用下的振动微分方程为：，图1 1/4车模型作用下的简支梁本文采用两个四分之一车模型，因为车和桥的振动方程分开考虑，然后进行叠加。
车辆——桥梁耦合系统模态分析实验一、实验目的：1.学习并掌握桥梁结构模态参数的测试与分析方法，能够使用测试分析系统以及相应的软件；2.掌握测力和不测力算法进行模态参数识别的原理和方法。
二、实验内容：分别对车辆激励、随机激励及力锤激励作用下斜拉桥模态进行测试分析。
三、实验仪器及实验框图1.实验仪器：加速度传感器、电荷适调器、力锤、信号采集分析系统（DH5922测试分析系统）、计算机及结构动态分析软件、斜拉桥模型、车辆模型、传感器连接导线等2.实验框图：四、实验步骤：按实验框图所示进行仪器连接。
1.车辆激励作用下斜拉桥模态分析1）测点布置，参考点的选择在斜拉桥模型上选择测点，并分别编号，试验中选择了5个测试点，编号分别为1-5，对应接入测试系统的1-5号通道，并选择5号测点为参考点，位于斜拉桥右边跨跨中位置。
2）打开DH5922测试分析系统开关，待指示灯指示正常后，打开电脑桌面“动态信号集成系统”数据采集软件，进入操作界面。
3）创建一个新项目，分析类型选为频谱分析，并设置运行参数、系统参数、通道参数等。
运行参数设置如图1所示。
系统参数包括采样频率、分析频率、采样方式、采样批次等，如图2所示。
通道参数包括通用参数、触发参数、几何参数、标定信息、通道子参数等，如图3所示。
图1 运行参数选择设置图2 系统参数设置图3 通道参数设置4）通道平衡，清零，开始采样。
进行跑车激励，采样时间一般以大于3分钟为宜，系统提供内部采样时钟计时，可打开，实时观测采样时长，如图4所示。
采到的3通道的时程曲线如图5所示。
采样过程中可在任意窗口随时查看其他的实时谱信号，如图6所示。
该软件具有自动保存数据功能。
图4 采样时钟计时图5 第3通道采样时程曲线图6 信号选择窗口5）数据的处理与分析。
打开桌面的“DHMA模态分析软件”，在弹出的提示窗口中选择“不测力法”，如图7所示。
图7 分析方法选择6）新建工程文件，选择合适的方法建立结构文件，建立好的斜拉桥结构文件及测点号布置如图8所示。
章采用随机振动的虚拟激励法，将轨道不平顺激励转化为虚拟激励，并利用MATLAB软件自编程序，采用数值方法分离迭代求解系统的虚拟响应，进而求得列车与桥梁子系统随机响应的时变功率谱和标准差，据此分析了系统的随机振动特性。
关键词：非平稳随机振动 车桥耦合系统 虚拟激励法1.列车—桥梁耦合系统动力学方程1.1桥梁子系统运动方程采用平面梁单元法对桥梁结构进行离散，桥梁子系统运动方程见式（1）。
（1）式（1）中：平面梁单元节点有3个自由度，，-梁单元节点的轴向位移；-竖向位移；-面内转角；-质量矩阵；-阻尼矩阵；-刚度矩阵；-外力矩阵。
1.2车辆子系统运动方程车辆—桥梁垂向耦合振动系统模型如图1所示。
图1中：k 1、c 1分别为转向架与轮对之间一系悬挂的弹簧刚度和阻尼系数；k 2、c 2分别为车体与转向架之间二系悬挂的弹簧刚度和阻尼系数。
l t 与l c 分别为车辆轴距之半、车辆定距之半。
车辆具有10个自由度，分别为：z t 1、βt 1-前转向架沉浮运动和点头运动；z t 2、βt 2-后转向架的沉浮运动和点头运动；z c 、βc -车体的沉浮运动和点头运动；z w 1~z w 4-4个轮对的沉浮运动。
车辆子系统的运动方程见式（2）。
（2）式（2）中：假定轮对与轨道密贴接触，则车辆有6个独立的自由度，T，-质量矩阵、-阻尼矩阵、-刚度矩阵、-外力矩阵。
1.3车辆-桥梁耦合系统动力学方程假定轮对与轨道密贴接触，由车辆子系统与桥梁子系统的位移协调关系，得到系统的动力学方程如式（3）所示。
（3）其中：式（3）中：、、——桥梁子系统的质量、阻尼和刚度矩阵，均包含列车车轮作用；、-桥梁子系统和车辆子系统相互作用的刚度、阻尼子矩阵；其余参数的含义同前。
与分别为耦合系统所受到的轨道不平顺随机激励和重力作用下的确定性激励，分别表示如式（4）。
（4）式（4）中：-车体质量；-转向架质量；-轮对质量；-将轨道不平顺转化为系统等效节点荷载的矩阵；-将轨道不平顺一阶导数转化为系统等效节点荷载的矩阵；-将轨道不平顺二阶导数转化为系统等效节点荷载的矩阵；-考虑车轮间距引起的轮轨接触点处轨道不平顺随机激励时图1 车辆—桥梁垂向耦合系统模型4/ 珠江水运·2018·05滞性的矩阵；-第i个车轮所受的作用力向桥梁子系统有限元模型平面梁单元节点分解时所用的分解向量。
车辆与桥梁耦合系统振动理论浅析[摘要]随着桥梁结构的轻型化以及车辆载重、车速的提高，车辆加速度的存在，车辆过桥引起的车桥振动问题越来越引起工程界的关注。
【关键词】耦合振动；简支梁；模型；冲击系数1.车桥振动的的特点车辆通过桥梁时将引起桥梁结构的振动，而桥梁的振动又反过来影响车辆的振动，这种相互作用、相互影响的问题就是车辆和桥梁之间振动耦合的问题。
车桥之间的振动是一种司耦合振动，它具有时变、自激、随机的特点。
2.车桥耦合动力问题的历史与现状车桥振动的研究已有100多年的历史，最先开展研究的是铁路桥梁的车振问题，随着铁道工程建设的发展，移动荷载对桥梁结构的动力作用问题引起人们普遍地关注。
铁路桥梁车激振动的主要特征是列车荷载的轴重大，轴距排列规律性较强，钢轮在钢轨上运行具有蛇行特征，因此，车辆过桥除了激起桥梁竖向振动外，还有较大的横向振动，因此铁路桥梁除了研究竖向振动外，还需研究桥梁横向振动，其主要研究的内容为桥梁的动态响应和车辆过桥的动态响应，如桥梁的冲击系数、横向振幅、以及桥梁的竖横向加速度、桥梁的合理竖向、横向的刚度限值和车辆过桥的加速度以及平稳性等；公路桥梁的车激振动的特征主要表现为过桥车辆的轴重、轴距的多样性和随机性，公路桥梁主要关心的是桥梁的竖向振动，研究的内容主要为桥梁的动态响应如冲击系数等，由于轮胎与路面的作用与钢轮与钢轨作用不同，公路桥梁的车激横向振动不太剧烈，因此，车激桥梁的横向振动基本上不予考虑。
尽管铁路与公路桥梁的车激振动的研究范围有些差别，但是，车桥振动研究的主要原理和基本方法是相同的，都具有时变、自激，随机性的特点。
回顾100多年来车桥振动研究的历程，可以大致的分为两个阶段，即车桥振动研究古典理论阶段和车桥振动研究现代理论阶段。
3.车桥振动的古典理论3.1古典理论的实桥试验研究1907年1910年期间，美国第一次进行了规模比较大的现场实测工作，用各种类型的机车以不同速度通过21根板梁和24座析梁桥，测定桥梁的最大动力响应，第一次提出了冲击系数的关系，通过试验得出了跨度、车速和冲击作用间的关系，制订了冲击系数曲线，并得出了明确的概念：对于蒸汽机车来说，移动荷载的动力作用主要是由动轮偏心块的周期力所引起的。
车桥振动分析报告引言车桥振动是指汽车行驶过程中，车轮与地面接触时产生的振动现象。
车桥振动的不稳定性和高频振动对行驶的平稳性和驾驶体验都有一定的影响。
因此，对车桥振动进行分析和研究对车辆的设计和改进具有重要意义。
本报告将介绍车桥振动的原因、影响因素以及分析方法。
车桥振动的原因车桥振动产生的原因可以归结为两个方面：一是车辆本身的结构和设计问题，二是地面路况和行驶速度等外部因素。
•车辆结构和设计问题：车桥的结构设计不合理、制造精度不高或装配不当都会导致车桥振动。
例如，轮胎不均匀磨损、车轮失衡、轴承磨损等都可能引起车桥振动。
•地面路况和行驶速度：不平坦的道路、悬挂系统刚度不足、车辆过速等都会使车辆在行驶过程中产生振动。
车桥振动的影响因素车桥振动对车辆的性能和驾驶体验有一定的影响，具体的影响因素如下：1.舒适性：车桥振动会导致车辆颠簸感增大，减少乘客的舒适感受。
2.安全性：车桥振动过大会影响车辆的操控性能，增加驾驶的难度和风险。
3.耐久性：车桥振动对车辆的零部件有一定的损坏作用，降低车辆的使用寿命。
4.燃油经济性：车桥振动会增加车辆在行驶过程中的能源消耗。
车桥振动分析方法为了对车桥振动进行准确的分析和评估，可以采用以下几种方法：1.实测分析：通过安装传感器在车桥上进行振动测量，获取车桥振动信号，并使用数据处理软件对数据进行分析和处理，从而得到车桥振动的特性和频谱。
2.数值模拟：利用计算机仿真软件对汽车车桥进行建模，进行动力学分析和模态分析，模拟车辆在不同工况下的振动情况。
3.工程改进：根据分析结果，对车辆结构进行相应的优化和改进，例如增加悬挂系统的刚度、调整轮胎的平衡等，以减少车桥振动。
结论车桥振动是车辆设计和改进中需要重点考虑的问题之一。
通过实测分析、数值模拟和工程改进等手段，可以有效地评估和减少车桥振动对车辆性能和驾驶体验的影响。
加强对车桥振动的研究和分析，对汽车制造企业和车辆设计师具有重要的指导意义，能够提高车辆的舒适性、安全性和经济性。
不同轮轨接触模型在车桥耦合振动中的比较不同轮轨接触模型在车桥耦合振动中的比较以工程实例为研究对象，建立了整车一整桥系统耦合振动数值分析模型。
考虑车轮的跳轨和挤密情况，建立了单边弹簧．阻尼系统弹性轮轨接触模型。
采用基于多体系统动力学和有限元法结合的联合仿真技术，计算了两种轮轨接触时动车组列车以不同车速通过大跨度连续桥梁的耦合振动响应。
目前主要采用传统动力学分析方法手工推导建立车辆动力学模型，本文采用多体系统动力学方法进行程式化的建模。
以特定大跨连续桥为研究对象，考虑到车轮的跳轨和挤密情况，建立了单边弹簧．阻尼系统组成的弹性轮轨接触模型。
利用SIMPACK 和ANSYS联合仿真技术对桥梁在列车运行下车桥耦合振动进行了模拟分析，对弹性轮轨接触模型和约束轮轨接触模型的响应进行了对比，分析了其适用性。
车桥耦合振动的研究通过对铁路提速现状中出现的部分桥梁的承载力及结构振动的特性不能满足提速要求的问题，提出进行车桥耦合振动研究的必要性、研究方法及其研究意义，以使既有桥梁技术改造决策更加科学，铁路提速更加安全可靠。
尤其是列车线路经过桥梁时，高速列车通过桥跨结构会激起桥梁的振动，而桥梁的振动反过来又要影响车辆的振动。
有些桥梁，列车通过时侧向晃动激剧，严重影响列车的安全平稳运行，列车限速过桥，使铁路运输能力不能充分地发挥。
因此，为了增加铁路的竞争能力，提高行车速度，必须对列车走行下桥梁的振动响应及其车桥的相互作用进行深入研究车桥耦合振动问题的发展进程与研究现状列车通过桥梁时将引起桥梁结构的振动，而桥梁的振动又反过来影响车辆的振动，这种相互作用、相互影响的问题就是车辆与桥梁之间的振动耦合问题。
在二十世纪60年代以前，对于铁路桥梁振动的研究主要集中在简单移动荷载作用下的解析方法。
计算机的出现和有限元法的应用，使得建立复杂的列车桥梁分析模型成为可能，从而使该方面的研究达到一个全新的起点。
多年来列车桥梁振动的研究表明了这一问题的复杂性和困难性，随着高速铁路在世界各国的广泛修建和我国铁路的几次提速，列车高速过桥引起桥梁振动与低速情况有很大不同，因此，车桥动力分析问题也越来越吸引更多桥梁界人士的关注。
车桥耦合振动方法评述车辆通过桥梁时将引起桥梁结构的振动，而桥梁的振动又反过来影响车辆的振动，这种相互作用，相互影响的问题就是车辆与桥梁之间的车桥耦合振动问题，利用车辆荷载作为激励，研究车桥耦合从而获得桥梁振动响应，逐渐被应用到工程领域中。
标签：车桥耦合；桥梁评估近年来，随着中国交通运输系统的不断完善，交通高速化、重载化以及结构轻型化趋势日益增强，车辆与结构（道路、桥隧结构等）相互之间的动力耦合问题变得尤为突出。
对车辆与结构耦合系统进行科学系统地综合分析研究，对于承受移动荷载作用的交通土建工程结构物的设计、建造、运营养护与检测均具有十分重要的意义。
1、车桥耦合振动研究经典理论及研究1.1国外方面1）匀速移动常量力理论：1905年，俄国学者Krylov A N[1]首次研究了在匀速恒定力作用下简支梁的振动问题，由于当时的局限性，他的理论中车桥系统无耦合，相对较为简单。
2）匀速移动简谐力理论：1922年，Timoshenko S[2]研究了一个简谐力匀速通过简支梁的情况，能够反应出车辆荷载的一些基本特点。
3）匀速滚动质量理论：1937年，Schauenkamp[3]开辟思路，考虑到质量惯性力的移动荷载影响，来分析简支梁的动力响应问题，并得出了理论解。
4）匀速移动质量一弹簧模型：1954年，Biggs[4]提出了将车辆分解为一个由质量和弹簧组成的系统，极大地推动了车桥耦合振动研究的进展。
1.2国内方面1941年，李国豪[5]教授首次研究了悬索桥在铁路列车荷载作用下的强迫振动问题和拱桥的车辆振动问题，此后，国内随即展开了对车桥耦合振动的研究。
80年代初，铁道部科学研究院程庆国院士、潘家英研究员[6]指导其博士生们对车桥耦合振动进行了研究。
1983年，张健峰[7]探讨了大跨度斜拉桥的横向刚度问题。
80年代中期，西南交通大学沈锐利[8]详细研究了刚桁梁桥的车桥空间耦合问题；北方交通大学夏禾、阎贵平[9]等研究了考虑车-桥-墩-基础系统的相互作用、车桥系统动力可靠性等问题，得到了许多有价值的结论。
公路桥梁车桥耦合振动研究【摘要】近年来，我国路桥工程建设为交通行驶创造了优越的环境，推动了地区之间的经济文化交流，促进了国民经济收入水平的提高。
与发达国家相比，国内路桥施工技术相对落后，对动力学理论研究不足误导了后期作业秩序，限制了路桥结构性能的充分发挥。
“车桥耦合振动”现象是路桥交通的常见现象，若控制不当则会影响路桥的使用寿命及运行状态。
针对这一点，本文分析了影响车桥耦合振动的相关因素，并通过计算机建立自动分析平台，为路桥交通的正常运行提供了帮助。
【关键词】路桥；耦合振动；成因；处理对策耦合振动是动力学理论中研究的重点，对不同物体在不同状态下的受力情况进行了详细地分析。
车桥耦合振动是由于车辆与路桥结构之间产生相互的力作用，两种受力荷载大小相同时易产生车桥耦合振动现象，约束了路桥结构性能的正常发挥，不利于交通行驶的安全运行。
工程单位在维护路桥工程阶段，应加强车桥耦合振动的分析，结合具体原因制定有效的控制对策。
一、车桥耦合振动研究的现状从本质上看，车桥耦合振动是一种相互性的力学作用，力学作用控制不当会限制路桥性能的发挥。
车辆过桥时会引起桥梁的振动，桥梁的振动反过来也会影响车辆的振动，即形成车桥耦合振动问题。
当前，我国公路交通运输的全面提速，为了有效的对既有桥梁运营状态进行评估，以及对新建、改建桥梁进行优化设计，均需对车辆过桥时的车桥耦合振动问题进行分析[1]。
随着公路交通事业的迅速发展，车辆与桥梁结构的动力相互作用越来越受到重视。
车辆和桥梁间力学作用形式多样，会呈现出不同的动力特点，如：车辆的动力特性，车型、阻尼、自振频率等；桥梁结构的动力特性，质量与刚度分布、桥跨结构形式、材料阻尼等；桥头引道和桥面的平整状态、伸缩缝装置及桥头沉陷的状况。
而计算机仿真模拟是目前最方便、最快捷、最经济的计算分析方法。
二、计算机力学模型研究的优点从长远角度考虑，选择一种通用性强、应用性广、开发前景广阔的研究模式，分析车桥耦合振动响应具有多方面的意义。
Engineering 2 (2016) xxx–xxxResearchRail Transit—Article车桥耦合动力分析方法及验证张楠*，田园，夏禾School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, Chinaa r t i c l e i n f o摘要Article history:Received 5 May 2016Revised 25 May 2016Accepted 26 November 2016Available online 13 December 2016本文系统研究了车桥耦合动力系统的分析方法。
随着铁路技术的发展，车桥耦合动力分析日臻成熟，此类研究对评判桥梁设计方案、确保列车运行的安全性与平稳性具有重要意义。
车桥耦合动力研究中考虑轨道不平顺、结构变形、风荷载、撞击荷载、结构损伤、基础冲刷和地震等因素的影响，其研究方法主要包括解析法、数值模拟法以及试验研究法三类。
本文的车辆子系统模型以刚体动力学方法建立，桥梁子系统模型以有限元方法建立，竖向与横向轮轨关系分别以轮轨密贴假定和Kalker 线性蠕滑理论定义。
车桥耦合动力方程以全过程迭代法求解。
算例讨论了CRH380BL 高速列车通过我国标准设计桥梁的动力响应，计算了车速200~400 km·h –1范围内车辆与桥梁子系统的动力响应，并分析了振动发生的机理。
© 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license(/licenses/by-nc-nd/4.0/).关键词车桥耦合系统轮轨关系全过程迭代法现场试验验证1. 概述1.1. 车桥耦合动力分析的研究背景随着行车速度的提高、荷载的加大，桥梁结构的动力问题日益突出，列车过桥时由于桥梁振动导致的结构安全性、动力承载力和使用可靠性等正在成为人们广泛关注的重要问题。
