车-轨-桥耦合振动相似试验模型设计与校验.pdf
《车-轨-桥耦合振动相似试验模型设计与校验.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《车-轨-桥耦合振动相似试验模型设计与校验.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 20 卷 第 10 期2023 年 10 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 10October 2023车-轨-桥耦合振动相似试验模型设计与校验罗锟1,2,姜兴1,2,王鹏生3,李琼1,2,陈鹏1,2(1.华东交通大学 铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,江西 南昌330013;2.华东交通大学 轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室,江西 南昌330013;3.中铁六院 中铁西安勘察设计研究院有限责任公司,陕西 西安710054)摘要:为探究模型试验法在车轨桥耦合振动研究中的有
2、效性,基于定理准则和量纲分析方法,推导车轨桥耦合振动原型结构与模型结构之间的相似关系。以10 1为几何相似比,计算原型与模型结构之间的相似常数,利用有限元方法校验原型与模型结构之间的相似关系。依照弹性力相似律,制作包含车辆轨道桥梁结构以及动力加载部分的缩尺模型试验系统,采用试验测试与数值仿真相结合的方法,校验了缩尺轨道箱梁结构的模态振型、模态频率以及模型车移动荷载作用下模型桥的加速度响应在时域与频域范围内的可靠性。研究结果表明:原型结构计算加速度响应值和模型结构计算加速度响应反演值曲线一致,校验了由定理准则及量纲分析所推导的相似关系的准确性;试验测定轨道箱梁结构模型振型与数值仿真计算所得振型基
3、本一致,且模态频率误差较小,频率误差最大仅为5.97%。表明基于相似理论设计制作的轨道箱梁结构缩尺模型能够较好地满足试验要求;试验测试与数值仿真计算的列车移动荷载作用下桥梁加速度响应在时域与频域内结果吻合良好,数值规律基本一致,模型桥动力性能误差在10%以内,表明缩尺模型试验系统能够较为精确地反应时域和频域范围内的车轨桥耦合振动特性。本文设计制作的车轨桥耦合振动缩尺模型试验系统可靠,可用于复杂工况下的车轨桥耦合振动分析。关键词:车轨桥耦合振动系统;动力模型;相似律;模型试验;设计与校验中图分类号:U441.3 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(
4、2023)10-3841-10Design and verification of vehicle-rail-bridge coupling vibration similarity test modelLUO Kun1,2,JIANG Xing1,2,WANG Pengsheng3,LI Qiong1,2,CHEN Peng1,2(1.Engineering Research Center of Railway Environmental Vibration and Noise,Ministry of Education,East China Jiaotong University,Nanc
5、hang 330013,China;2.State Key Laboratory of Performance Monitoring Protecting of Rail Transit Infrastructure,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China;3.China Railway Liuyuan Xian Survey,Design and Research Institute Co.,Ltd.,of CREC,Xian 710054,China)Abstract:To investigate the efficacy
6、of the model testing approach in analyzing the coupled vibration of vehicle,收稿日期:2022-10-26基金项目:国家自然科学基金资助项目(52178424,51868023);江西省自然科学基金资助项目(20202BABL204054);江西省教育厅科技项目(GJJ200630)通信作者:罗锟(1978),男,江西进贤人,副教授,博士,从事轨道交通环境振动与噪声研究;E-mail:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20222026铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 10月rail a
7、nd bridge,we employed the theorem criterion and dimensional analysis method.As such,we established a comparable relationship between the prototype structure of the vehicle-rail-bridge coupled vibration and the structure of the model.The similarity ratio of 10:1 was used to calculate the similarity c
8、onstant between the prototype and model structures,and the finite element method was employed to verify the similarity relationship between the two structures.In accordance with the principle of elastic force resemblance,a downscaled model testing system consisting of a vehicle-rail-bridge structure
9、 and power loading component was constructed.The system underwent experimental and numerical simulations to confirm the modal mode shape,modal frequency,and acceleration response of the bridge model under the motion load of the car model.The results provide evidence for the reliability of the bridge
10、 models modal performance under the movement load in both the time and frequency domains.The study demonstrates that the acceleration response value obtained from the prototype structure aligns with the inversion value curve of the acceleration response derived from the model structure.The theorem c
11、riterion and dimensional analysis verify the accuracy of the similarity relationship.The rail-bridge structure models mode shape aligns with the mode shape computed through numerical simulation,with a small modal frequency error of only 5.97%.Hence,the rail-bridge structure scale model developed bas
12、ed on similar theoretical design suffices the test prerequisites.The acceleration response of the bridge to the moving train load is in agreement between the experimental test and numerical simulation,both temporally and in frequency domains.The numerical laws applied show basic consistency,and the
13、modelled bridges dynamic performance error remains below 10%.These results suggest the scaled-down model test system accurately responds to the vehicle-rail-bridges coupled vibration characteristics,particularly in the time and frequency domains.This paper presented a reliable test system for analyz
14、ing vehicle-rail-bridge coupled vibrations under complex operating conditions.The test system included a vibration scaling model and was designed and manufactured to high standards for accuracy and precision.By employing this system,researchers can undertake vehicle-rail-bridge coupled vibration ana
15、lysis with confidence in the results.Key words:vehicle-rail-bridge coupled vibration system;dynamic model;similitude law;model test;design and validation 车桥耦合动力学问题是一个历久弥新的研究课题1,其主要方法包括理论计算、数值模拟和试验研究27。理论计算方法在将物理模型等效为数学模型的过程当中存在一定的简化,其计算结果与现场实际情况仍然存在一定的差异;数值模拟将研究对象作为理想模型进行分析,得到的结果需通过理论和试验的方法进行验证;现场测试
16、的开展常受到环境、人员安全、费用高等各种条件的制约;对比以上3种常用方法,模型试验具有易控制参数变化、指向性好、数据真实、经济可靠等优点8。因此,采用模型试验方法,开展车轨桥耦合振动研究具有重要的理论价值和工程意义。桥梁结构模型试验研究已取得以下成果。MURRAY等9设计制作了缩尺预应力混凝土工字梁桥,通过开展剪切破坏试验,得到了该桥受剪力和弯矩影响的预应力混凝土梁开裂后的力学行为;GUAN等10设计制作了缩尺倒Y形主塔结构大跨度斜拉桥模型,研究地震荷载作用下的动力响应,结果表明缩尺模型误差保持在较低水平;CANTERO等11设计制作了缩尺车桥耦合模型,研究了车辆通过时桥梁频率的演变,结果表明
17、车桥耦合系统的固有频率变化取决于车辆与桥梁的频率比;URUSHADZE等12设计制作了缩尺车桥耦合模型,测试了车辆的动态响应用于计算桥梁频率,结果表明间接桥梁检测方法是一种可行的桥梁动力特性监测方法;桂水荣等1314设计制作了公路车桥耦合缩尺模型,对试验模型参数进行测定,结果表明试验系统可行、测试结果可靠;陈代海等15设计3842第 10 期罗锟,等:车轨桥耦合振动相似试验模型设计与校验制作了公路车桥梁试验模型,分析了车桥耦合振动试验的影响因素,结果表明车桥质量比是影响动力响应的重要参数;罗锟等1617设计制作了高架轨道箱梁结构缩尺试验模型,采用激振器激励法,得到了振动在箱梁中的传递规律;赵磊
18、等1819设计制作了无砟轨道预应力混凝土简支箱梁结构的缩尺模型,开展温度分布试验研究,得到了高速铁路桥上CRTS型板式无砟轨道的温度分布规律。综上可知,模型试验研究多用于特殊工况下的桥梁结构动力特性试验或公路车桥耦合振动试验,而铁路车轨桥耦合振动模型试验研究却未见文献报道。因此,基于模型相似理论,制作了包含车辆轨道桥梁结构以及动力加载部分的缩尺模型试验系统,采用试验测试与数值仿真相结合的方法,校验缩尺模型系统准确性,以期构建出一套合理可靠的车轨桥耦合振动缩尺模型试验系统。1 相似理论研究模型试验系统在弹性阶段的相似关系,根据 定理,采用量纲分析方法推导结构相似关系。原型结构与模型结构各物理量之
19、间相似比尺的定义如表1所示。1.1弹性力相似律结构模型通常分为弹性模型,强度模型和间接模型,弹性模型试验的目的主要是获得原型结构在弹性阶段的资料,其研究范围局限于弹性阶段。目前,结构动力模型试验一般都是弹性模型结构。弹性结构运动方程:Mu +Cu +Ku=F(1)式中:M,C和K分别为结构的质量、阻尼和刚度矩阵;u,u 和u分别为结构振动的加速度、速度和位移向量;F为移动荷载向量。1.2动力相似在进行动力模型结构设计时,主要模拟惯性力、恢复力和重力 3种力,对模型材料的弹性模量、密度要求很严格,需满足:Cl=CEC-1C-1g,通常Cg=1,则Cl=CEC-1(2)当Cl1时,需满足材料的弹性
20、模量Emp,这在材料选择时很难满足。如果模型结构与原型结构材料相同,则CE=C=1,这时需满足Cg=C-1l,则要求gmgp,及需要对模型结构施加非常大的重力加速度,这在结构动力试验过程中存在困难。式中:m和p分别表示模型结构和原型结构。当重力对结构的影响比地震等动力引起的影响小得多时,可忽略重力的影响,则在模型结构材料的选择及材料的相似性的限制小得多20,以结构的几何尺寸、弹性模量和密度作为基本量,可推导出忽略重力后的相似常数关系为:C=CE,Ct=ClC-1 2EC1 2,Cv=C1 2EC-1 2,Ca=CEC-1C-1l,Cm=CC3l,Ck=ClCE,Cc=C2lC1 2EC1 2(
21、3)研究结构在弹性阶段的动力响应时,还应保持外作用力F的相似:CF=CEClCu=CEC2l(4)结构振动在弹性阶段时,适合用叠加原理进行分析,Cl,C和CE相互独立,因此在模型试验时,可适当调整参数,用来提高计算精度,并且对相似关系不会造成影响。结合定理准则及量纲分析,导出各个物理量的相似关系,如表2所示。1.3相似关系校验轨道箱梁以京沪高铁高架轨道箱梁结构为工程背景,从上至下轨道结构依次为钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆层、底座板和箱梁。桥梁为简支型式,桥梁长32 m,梁宽12 m,梁高3.05 m;上部结构为双线 CRTS-II 型板式轨道,轨道板长6.45 m,宽 2.55 m,高 0.2
22、 m,轨道板纵连成一个整体,轨道箱梁结构如图1所示。表1物理量的相似比尺Table 1Similarity scale of physical quantities相似比尺几何尺寸弹性模量密度变形应力作用力符号ClCECCuCCF相似比尺时间速度加速度质量刚度阻尼符号CtCvCaCmCkCc注:C表示相似常数,如Cl表示几何尺寸的相似关系。3843铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 10月为了验证轨道箱梁结构的动力相似关系,假设原型结构与缩尺模型的几何尺寸比尺Cl=10,弹性模量比尺CE=1.2和密度比尺C=1.2;通过表2推导的相似关系,得到轨道箱梁结构原型和模型桥之间的结构参数
23、,如表3所示;并且根据表2相似关系,进一步得到时间相似比Ct=10,作用力相似比CF=120,速度相似比Cv=1,加速度相似比Ca=0.1。采用有限元方法建立轨道箱梁结构有限元模型,利用多体动力学方法计算轮轨力,通过力的相似关系,得到模型列车的竖向轮轨力,将列车表3轨道桥梁结构参数Table 3Structural parameters of track-bridge物理量钢轨梁体扣件CA砂浆层轨道板底座板支座密度/(kgm3)弹性模量/GPa泊松比密度/(kgm3)弹性模量/GPa泊松比竖向刚度/(MNm1)竖向阻尼/(kNsm1)竖向刚度/(MNm1)竖向阻尼/(kNsm1)密度/(kgm
24、3)弹性模量/GPa泊松比密度/(kgm3)弹性模量/GPa泊松比竖向刚度/(MNm1)竖向阻尼/(kNsm1)原型7 8002100.32 60034.50.215101 200832 60035.50.22 600300.24 380100模型6 5001750.32 166.6728.750.21.250.0831000.6922 166.6729.580.22 166.67250.23650.833(a)原型结构;(b)模型结构;(c)计算值与反演值对比图2原型结构与缩尺模型腹板加速度对比Fig.2Comparison of web acceleration between proto
25、type structure and scale model表2结构的相似关系Table 2Structural similarity relation物理参数几何尺寸l弹性模量E密度应力作用力F时间t质量m变形u速度v加速度a刚度k阻尼c相似关系ClCECC=CECF=CEC2lCt=Cl(C/CE)1 2Cm=CC3lCu=ClCv=(CE/C)1 2Ca=CE/(CCl)Ck=ClCECc=C2lC1 2EC1 2备注基本量基本量基本量导出量导出量导出量导出量导出量导出量导出量导出量导出量图1轨道箱梁结构Fig.1Rail-box girder structure3844第 10 期罗锟
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 耦合 振动 相似 试验 模型 设计 校验
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。