《高速铁路轨道动力学:模型、算法与应用》是雷晓燕教授带领的课题组十余年来关于高速铁路轨道动力学研究成果的系统总结。研究内容属现代铁路轨道动力学理论中的前沿问题,涉及高速列车轨道耦合系统动力学理论、模型、算法及工程应用。《高速铁路轨道动力学:模型、算法与应用》共十五章,包括轨道动力学分析内容及相关标准、轨道结构动力分析的解析法、轨道结构动力分析的傅里叶变换法、高架轨道结构振动特性分析、轨道不平顺功率谱及数值模拟、车辆轨道耦合系统竖向动力分析模型、车辆轨道耦合系统动力分析的交叉迭代算法、动轮单元模型及算法、轨道单元和车辆单元模型及算法、车辆轨道耦合系统动力分析的移动单元法、车辆轨道路基大地耦合系统竖向动力分析模型、列车有砟轨道路基耦合系统动力特性分析、列车板式轨道路基耦合系统动力特性分析、有砟无砟轨道过渡段动力特性分析、交叠地铁列车引起的环境振动分析。
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《高速铁路轨道动力学:模型、算法与应用》:
第一章 轨道动力学分析内容及相关标准
随着列车速度的提高、轴重的增加、行车密度的提高,以及新型车辆和新型轨道结构大量地投入工程应用,导致车辆与轨道间的相互作用更加复杂,动应力增大,影响到列车运行的安全与稳定。列车作用在轨道上的动荷载可分为移动的轴荷载、固定作用点的动荷载以及移动的动荷载。轴荷载的作用与车辆动力学无关,其大小不变,但由于其作用点是移动的,故对轨道-路基-大地系统的作用为动荷载作用。当移动轴荷载的速度接近轨道的临界速度时,轨道将产生剧烈的振动。固定作用点的动荷载来自车辆通过固定不平顺,如钢轨接头、无缝钢轨焊缝及道岔岔心引起的撞击。移动动荷载则由轮轨接触表面的不平顺而产生。进行列车-轨道系统动力学分析是研究复杂轮轨关系和相互作用机制的基础,也是指导和优化车辆、轨道结构设计必不可少的内容。
1.1轨道动力学模型与方法研究回顾
国内外学者在轨道动力学模型的建立与方法的研究方面做了许多工作,并取得了丰富的研究成果。轨道动力学模型与方法的研究经历了一个从简单到复杂的发展过程,从历史上看,移动荷载/车辆结构是结构动力学中,尤其是列车轨道系统中最早的实际问题之一。Knothe和Grassie等发表了几篇在频域内轨道动力学和车辆-轨道相互作用研究进展的文章。Mathews采用傅里叶变换的方法(FTM)和移动的坐标系统,解决了任意移动荷载作用在弹性基础无限长梁上的动力问题。傅里叶变换方法属于频域分析法。运用傅里叶变换的方法,Trochanis,Ono和Yamada也做了一些类似的研究工作。Jezequel将轨道结构简化为弹性基础上无限长的Euler-Bernoulli梁,考虑其转动和横向剪切效应,列车荷载为匀速运动的集中力。Timoshenko通过模态叠加,在时域内解决了移动荷载作用于简支梁上的控制微分方程的求解。Warburton用解析的方法分析了相同的问题,并发现移动荷载在特定的速度下,梁的挠曲量将达到最大。Cai等运用模态叠加法研究了移动荷载作用于周期滚动支座上无限长梁的动力响应问题。