车桥耦合分析综述及仿真方案

7月前浏览10038

本文摘要（由AI生成）：

车桥耦合分析是研究列车通过桥梁时产生的振动问题，高速铁路中桥梁里程占比高，车桥耦合对铁路列车运行的影响日益突出。车桥耦合振动分析需要借助车-桥空间耦合振动分析模型，该模型由列车计算模型、桥梁计算模型按一定的轮轨运动关系联系起来而组成的系统。车桥耦合振动分析在高速铁路设计中的应用包括评估列车-桥梁系统的动力性能，为我国桥梁设计提供参考。国内外研究现状综述包括使用商业多体动力学软件进行列车-桥梁耦合振动分析的优缺点、多体系统运动方程的两种形式、铁路车辆多体系统的特殊性以及不同多体动力学软件计算所得轮对接触斑位置、大小以及蠕滑率的差异。

1 车桥耦合分析基本概念

列车通过桥梁引起的振动，通常称作车-桥耦合振动。车-桥耦合振动是一个系统的振动，其刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵及荷载列阵是随着列车在桥上的运行而变化的，故又可称为车-桥时变系统动力相互作用。随着列车运行速度的不断提高、车辆载重的不断加大，列车与桥梁的动力相互作用问题越来越受到人们的重视。一方面，高速运行的列车会对其通过的桥梁结构产生大的动力冲击作用，使之发生振动，直接影响其工作状态和使用寿命；另一方面，桥梁的振动又会对运行列车的平稳性和安全性产生影响，严重时甚至造成行车安全等重大事故。因此，需要对车-桥系统的耦合振动进行系统综合研究，以便正确评估桥梁动力性能和桥上运行列车的走行性，确定它们在各种状态下的运行可靠性，是现代高速、重载铁路桥梁设计的实际需要，特别是对于中国铁路既有线不断提速、高速铁路大规模建设及运营速度持续提升的客观现实而言，其工程需求和实际应用意义十分重大。

车-桥耦合振动分析需要借助车-桥空间耦合振动分析模型，该模型由列车计算模型、桥梁计算模型按一定的轮轨运动关系联系起来而组成的系统，因此其研究涉及车辆分析模型、桥梁分析模型、轮轨接触关系、激励源的模拟以及数值计算方法等方面。

图1 车-桥时变系统分析模型

2 桥梁在铁路中的重要作用

桥梁是构建铁路的重要基础设施之一，也是铁路建设的关键技术。桥梁以其独有的优势：节约土地资源、结构稳定、沉降期短等，在铁路线路上占重要的比例，特别是对于时速200km以上的高速铁路中，桥梁所占比例要比普通铁路高很多。

表1 世界上已建成的高速铁路桥梁工程概况

表2 中国高速铁路桥梁工程概况

高速铁路列车运行速度快，由轨道不平顺引起的轨道动力响应及其对行车安全性、平稳性和乘车舒适性的影响均随行车速度的提高而显著增大，桥梁作为轨下结构，其振动响应也同样作为车辆振动激励源，对列车运行安全性和乘车舒适性有重要的影响。

在列车提速的同时，重载运输也在越来越多的国家得到了发展。目前，我国重载列车轴重正从23t逐渐提高到25t，并正在进行将轴重提升到30t及以上的工作。随着轴重的增加以及车速加快，桥梁承受的移动荷载以及由于桥梁和车辆振动产生的惯性力等各种动力作用也随之加大。这些动力引起的桥梁振动可能使结构构件产生疲劳，降低其强度和稳定性，直接影响桥梁的工作寿命；桥梁振动过大，反过来又会对车辆运行安全性和平稳性产生严重影响。并且，高速列车以远高于普通列车的速度行驶，它激发的频率可能会和桥梁的自振频率相等或接近，这时就会产生所谓的共振现象，致使系统动力响应剧烈增大而产生意外的破坏。

因此，对车-桥相互作用进行系统的研究，以便正确评估车过桥过程中桥梁动力性能和车辆运行安全性和舒适性，是现代高速、重载铁路桥梁设计的实际需要，有着重要的理论意义和工程应用价值。

3 车桥耦合分析在高速铁路设计中的应用

我国高速铁路中桥梁里程中占比非常高，随着我国高速铁路运行速度不断提高，车桥耦合对铁路列车运行的影响日益突出，��车-桥梁耦合问题对高速铁路运行安全性的影响引起了我国研究人员的高度重视，我国铁道科学研究院、北京交通大学、西南交通大学、中南大学等研究机构对列车-桥梁耦合开展了一系列详细的研究，以便对列车-桥梁系统的动力性能做出评价，为我国桥梁设计提供参考。相关研究成果在我国《高速铁路设计规范》(TBl0621.2014)有所体现：

《高速铁路设计规范》标准(TBl0621.2014)要求高速铁路桥梁的自振频率不低于相应限值，并且除竖向振动频率不低于相应限值、跨度小于等于32m的简支梁可不进行车桥耦合动力响应分析，其他简支梁应进行车桥耦合动力响应分析。
《高速铁路设计规范》标准(TBl0621.2014)还规定对于简支梁以外其他结构形式的桥梁应当按照设计运行速度进行列车-桥梁耦合振动分析，列车平稳性和安全性指标以及桥梁动力性能指标应满足相应限值。

随着计算机条件和求解技术的不断进步，人们开始在分析列车-桥梁耦合时考虑轨道结构的振动，将研究对象扩展为列车-轨道-桥梁系统。随着我国高速铁路不断发展，列车-轨道-桥梁耦合振动已经成为一个重要的研究课题，课题成果将继续为我国高速铁路发展提供技术支持。

4 商业多体动力学软件在列车-桥梁耦合分析中的应用

列车是一个典型的多体系统，在进行车辆设计时，往往需要评价车辆运行的平稳性、舒适性、计算临界失稳速度，需要使用多体动力学软件对其进行仿真分析。

我国的科研单位和高校虽然开发了专业软件用于车桥耦合分析，不过由于推广不够，资料少，使用人员较少，没有得到广泛的应用。

使用编程方法建立车辆模型时需要自行推导车辆的质量、刚度和阻尼矩阵，如果考虑油压减振器以及横向、竖向止挡的非线性，那么车辆的质量、刚度和阻尼矩阵便是时变，推导这三个矩阵会有一定难度。另外，使用复杂的轮轨接触关系对于编程而言也是不小的工作量。因此，使用编程方法进行车桥耦合分析无法实现在工程中的广泛应用。

这时候，使用商业多体动力学软件的优势就显现出来了，使用商业多体动力学软件进行分析可以省去编写、调试程序以及推导车辆模型运动方程的工作量，不必自行推导车辆的质量、刚度和阻尼矩阵，能提高建模效率；还可以避免处理在编程中需要面对的桥梁结构以及轨道结构庞大的质量、刚度和阻尼矩阵。主要优点包括节省工作量、提高建模效率、方便地建立更为精细的列车模型。

大多数商业多体动力学软件如Simpack、Adams等都开发了机车铁路模块��这些软件被广泛运用于车辆工程设计与研究当中。商业多体动力学软件的机车铁路模块经过长期发展，变得功能强大，使用方便。

随着世界高速铁路的发展，世界铁路运行速度经过多次提速，铁路运输对车辆性能的要求越来越高，列车运行速度越快，列车对轨道结构振动产生动态不平顺越敏感，人们在进行车辆设计与研究时往往需要考虑轨道结构振动对车辆行走性能的影响，原有的机车铁路模块功能已不能满足设计和研究人员需要，于是机车铁路的柔性轨道功能就出现了。这样，人们开始使用商业多体动力学软件进行列车-桥梁耦合振动分析，并取得了成功。

这其中最著名的商业多体动力学软件是Simpack。Simpack软件是德国航空航天局(DLR)开发的针对机械、机电系统运动学/动力学仿真分析的著名多体动力学分析软件。它以多体系统计算动力学为基础，包含多个专业模块和专业领域的虚拟样机开发系统软件。基于相对坐标系递归算法的Simpack首先应用在航空航天领域，并引发了多体动力学领域的算法革命，同时DLR首次将多刚体动力学和有限元技术结合起来，开创了多体系统动力学由多刚体向刚柔多体耦合系统的发展。

Simpack Rail模块是DLR与西门子(SIMENS)公司通力合作的产物，最新的市场占有率更是超过了60％的市场份额。利用该模块，研究人员可以像构筑三维CAD模型那样，快速建立列车的动力学模型，通过多体系统的各种建模元件组建复杂多体系统，并自动形成动力学方程，然后利用各种内置的高效率求解器，得到列车的动态响应。同时Rail模块还具有和有限元分析(FEA)、CAD以及CACE(控制)等软件的接口程序，操作界面友好，功能强大，且经过大量铁路车辆试验验证具有很高的仿真精度和效率。

Simpak Rail模块除了采用成熟的轮轨接触模型计算轮轨接触斑上的接触力以外，还有一个显著的特色是可以将有限元描述的弹性桥梁结构引入到模型中，并进行复杂的车-桥耦合动力分析，这一特性正是人们进行车桥耦合研究的基础。

5 国内外研究现状综述

（1）国外研究现状

2001年，Rawlings.L等使用VAMPIRE对英国城际轨道的一座系杆桥（Bowstring Bridge）进行了列车．桥梁耦合振动分析。

1993年，Stefan Dietz等介绍了Simpack与有限元软件联合仿真的方法，给出了基于相对描述和Ritz方法的弹性梁运动方程，并使用有限元软件NASTRAN与Simpack联合仿真，对货车-两跨连续梁进行了列车-桥梁耦合振动分析。

2007年，W.Korttim系统总结使用商业多体动力学软件在进行列车-桥梁耦合振动分析方面的优缺点，讨论了多体系统运动方程两种形式，包括常微分方程(ODE)，微分代数方程(DAE)，系统比较了Simpack、ADAMS、VAMPIRE等多体动力学软件求解两种形式列车多体系统运动方程的数值方法，还讨论了铁路车辆多体系统的特殊性-受到轨道不平顺的随机激励，指出这种特殊性给求解算法带来的要求，最后比较了一系列多体动力学软件的功能。

2008年，P.Shakleton和S.1wnicki列举了DYNARAIL、VAMPIRE、GENSYS等多体动力学软件使用的轮轨接触理论，比对了这些软件计算同样的单个轮对模型所得接触斑位置、形状、大小以及接触力的差异，比对结果表明，不同多体动力学软件计算所得轮对接触斑位置基本一致，而接触斑大小以及蠕滑率有所一定差异，为研究这些差异对车体响应的影响，又使用不同软件计算了相同的车辆模型动力响应。

（2）国内研究现状

2009年，崔圣爱使用Simpack建立了考虑横向止挡、竖向止挡、油压减振器非线性的精细化车辆模型，计算了该列车模型线性临界速度以及非线性临界速度；比对了弹性轮轨接触与约束轮轨接触对列车-桥梁耦合振动的影响；介绍了Simpack求解多体系统微分几何方程的DASSL算法；通过Simpack与ANSYS联合仿真对琼州海峡跨海工程斜拉桥进行了列车-桥梁耦合振动分析。

2010年，Shengai.Cui等使用Simpack建立了考虑非线性的EMU列车模型，并运用该列车模型以及成都-贵阳客运专线上一座系杆拱桥有限元模型在Simpack中进行了车桥耦合分析，检验该系杆拱桥横竖向刚度，为该系杆拱桥设计提供参考。

2010年，周昱使用Simpack建立了34自由度的线性车辆模型，使用ANSYS建立了不考虑拉索几何非线性的铁路斜拉桥有限元模型；通过ANSYS和Simpack联合仿真对该斜拉桥进行了列车-桥梁耦合振动分析。

2011年，Deshan.Shah与Shengai.Cui使用Simpack建立了考虑多种非线性因素的ICE EMU列车模型，通过Simpack与有限元软件联合仿真对南广客运专线的郁江斜拉桥进行了列车-桥梁耦合振动分析。

2014年，邓朋儒通过Simpack和ANSYS联合仿真分析了郁江钢桁梁斜拉桥在双线对开、不同桥梁阻尼比等工况下列车-桥梁耦合振动，并将分析所得轮轨力时间历程施加到有限元模型中，通过ANSYS求解得到桥梁模型应力时间历程曲线并通过雨流计数法得到应力幅曲线和频数，然后对拉索车致疲劳损伤作出评估。

2014年，Xuehui He等使用Simpack建立考虑悬挂系统非线性的列车模型，通过Simpack与有限元软件联合仿真对秦沈客运专线3跨24m简支梁进行了列车-桥梁耦合振动分析。

从现有研究可见，商业多体动力学Simpack软件是进行列车-桥梁耦合分析的一个功能强大、有经验积累、有实用价值的计算工具。