地铁轨道动力特性仿真分析

一、 前沿

目前车辆—轨道耦合模型大多用于行车动力性能分析，而在振动传递特性分析中，大多只分别考虑车辆振动或轨道结构振动，没有将两者有效结合起来，或是在车辆与轨道结合的车辆-轨道耦合模型中将车辆对轮轨振动影响较大的结构考虑为刚体，以至无法确定轮轨各频率下的主要振动特性，轮轨振动原因不明确。针对此问题，建立地铁车辆-轨道耦合系统模型，将车辆与轨道结构两个子系统通过Hertz接触弹簧链接，主要部件按实际的弹性体建模，并考虑车辆，轨道结构间的相互影响。

二、 有限元模型

2.1 车辆模型

参数	地铁B型车
车体质量	28000
转向架质量	2634
车辆定距	12.6
转向架轴距
一系悬挂横向距	1.93
二系悬挂横向距	1.85
车轮直径	0.84
车轮宽度
车轴长度	3.8
车体长度	19
车体宽度	2.8
车体高度	3.8
一系悬挂纵向刚度/轴箱（AW2)	8.92
一系悬挂横向刚度/轴箱（AW2)	6.76
一系悬挂垂向刚度/轴箱（AW2)	1.4
二系悬挂横向刚度（重车）	0.21
二系悬挂垂向刚度（重车）	0.48
二系悬挂横向阻尼	50
二系悬挂垂向阻尼	60
接触刚度	2

                                               

车辆模型

在hypermesh中建立简化车辆模型如上图所示，模型主要由实体单元和壳单元组成。

2.2 轨道模型

本次模拟的轨道模型主要包括钢轨，扣件，轨枕，垫层，钢轨，路基，材料参数如下表所示。

梯形轨枕
钢轨	质量	60
	密度	7830
	弹性模量	2.10E+11
	泊松比	0.3
扣件	垂向刚度	45
	垂向阻尼	10
	扣件间距	0.625
轨枕	长	5.9
	宽	0.58
	高	0.185
	密度	2500
	弹性模量	3.60E+10
	泊松比	0.176
垫层	中间刚度	25
	中间阻尼	10
	中间间距	1.2
	两端刚度	12.5
	两端阻尼	10
	两端间距	1.15
钢管	长度	1.85
	截面	0.125*0.075
	密度	7830
	弹性模量	2.10E+11
	泊松比	0.3
路基	密度	7400
	弹性模量	2.06E+11
	泊松比	0.22

轨道模型

轨道局部模型

在hypermesh中建立轨道有限元模型，其中地下地基采用弹簧单元建立，底座板采用壳单元，采用弹簧单元模拟CA砂浆，CA砂浆上面的轨道板采用壳单元，轨枕之间用黄颜色的梁单元来模拟链接钢管，支撑钢轨的扣件采用弹簧单元，最上面的钢轨采用梁单元。

2.3 车辆轨道有限元模型

将车辆和轨道模型进行装配如下图所示，单元总数为134089，实体单元数为13967个，壳单元为52640个，梁单元和弹簧单元为67482个，节点数为125610个

车辆-轨道有限元模型

2.4 其他建模关键字说明

采用LOAD_BODY_Y对车体施加Y向的重力加速度，采用*boundary_prescribed_motion_rigid对车辆施加x向的83.3m/s的速度，速度时间通过*DEFINE_CURVE来进行定义，通过*BOUNDARY_SPC_SET定义地基底部约束，设定求解时间为4.5s，设置为默认时间步长，通过*DAMPING_GLABAL设置全局阻尼为常数，通过*DAMPING_PART_STIFFNESS定义弹簧单元的瑞雷阻尼系数，通过*DATABASE_FOMAT,*DATABASE_NODAL_FORCE_GROUP,*DATABASE_BINARY_D3PLOT,*DATABASE_HISTORY_BEAM,*DATABASE_EXTENT_BINARY并联合*SET命令对要输出量进行相应设置。由于hypermesh不支持轮轨接触关键字，利用ultraedit编辑关键字，添加*RAIL_TRAIN关键字并编辑关键字内容，建立车辆轮子和轨道钢轨之间的模型，一个轨迹需要定义两个轨道，并且都是由梁单元组成，所以在轨道旁边建立了两个平行的轨道。

三、 结果分析

利用LSPREPOST进行结果查看，通过前面的输出可以查看轮轨接触点的受力曲线如下图所示：

                                               

轮轨接触点受力时程曲线

通过提取车辆上一点进行进行竖直方向的速度分析，刚开始在重力作用下下坠并与钢轨建立稳定的接触，后面在弹性作用下回弹，震荡过后趋于平稳。

最后展示一下做出的结果动画图