列車制動(dòng)熱力耦合振動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)分析.pdf

1、為了分析列車制動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)擾動(dòng)的影響，探究列車制動(dòng)熱力耦合情況下的隧道結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，本文依據(jù)有限元軟件ANSYS，建立了列車制動(dòng)輪軌摩擦熱直接熱力耦合的三維有限元模型和三維的隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，并選用了詳細(xì)的模型計(jì)算參數(shù)，對(duì)列車制動(dòng)輪軌摩擦熱和隧道振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了全面的分析，取得了一些重要的研究結(jié)果。
　　本文首先推導(dǎo)了列車制動(dòng)輪軌摩擦傳熱的控制方程，給出了列車-隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)有限元迭代方程；其次建立了列車制動(dòng)輪軌摩擦熱直接耦合的三維有

2、限元模型和隧道結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，選取了計(jì)算用的詳細(xì)的材料參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，并且說明了有限元的計(jì)算方法；最后計(jì)算分析了列車制動(dòng)輪軌摩擦熱等的分布規(guī)律和輪軌系統(tǒng)的振動(dòng)特性，用取得的鋼軌底面彈性地基的振動(dòng)加速度值作為隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)的激勵(lì)，研究了隧道結(jié)構(gòu)在該激勵(lì)下的響應(yīng)，給出了隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)的時(shí)程曲線圖和列車制動(dòng)末時(shí)刻的振動(dòng)特性云圖。本文研究主要的結(jié)論有以下幾方面。
　　在列車制動(dòng)輪軌靜態(tài)接觸方面，輪軌觸斑的形狀近似于橢圓形，輪軌接觸斑的面積約為

3、113mm2；車輪最大的等效應(yīng)力值為599.3MPa，距離車輪表面0.45mm，鋼軌的最大等效應(yīng)力值為559.6MPa，距離鋼軌表面0.17mm。在列車制動(dòng)輪軌瞬態(tài)熱分析方面，先分析了輪軌摩擦熱與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)摩擦系數(shù)隨溫度變化時(shí)，鋼軌表面溫度場(chǎng)及其外輪廓隨著制動(dòng)速度的增加變化較為明顯，主要是由于鋼軌彎曲變形和輪軌接觸區(qū)域彈塑性變形導(dǎo)致列車向前運(yùn)動(dòng)的主矢方向不斷發(fā)生變化以及車輪在豎向發(fā)生輕微移動(dòng)造成的。常摩擦系數(shù)計(jì)算

4、獲得的鋼軌表面溫度場(chǎng)及其外輪廓之間具有相似性，但不同于摩擦系數(shù)隨溫度變化時(shí)的計(jì)算結(jié)果；另外列車制動(dòng)摩擦熱深度影響范圍在2.6mm~3.4mm之間。對(duì)于車輪而言，在制動(dòng)速度為1m/s時(shí)，當(dāng)摩擦系數(shù)隨溫度變化時(shí)其表面的高溫區(qū)的中心位置處于溫度場(chǎng)的前緣區(qū)，摩擦系數(shù)為常量時(shí)高溫的中心位置處在溫度場(chǎng)的中心位置。另外，當(dāng)摩擦系數(shù)隨溫度變化時(shí)最高溫度和最低溫度之間的變化范圍大于常摩擦系數(shù)最高最低溫度之間的變化范圍。
　　列車通過隧道時(shí)強(qiáng)對(duì)流環(huán)境

5、對(duì)鋼軌表面的溫度場(chǎng)和鋼軌表面的熱通量影響很小，不同對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)列車輪軌摩擦熱溫度場(chǎng)的影響在10℃的范圍內(nèi)，計(jì)算結(jié)果說明隧道強(qiáng)對(duì)流環(huán)境對(duì)列車在短時(shí)間內(nèi)制動(dòng)引起的輪軌摩擦熱的影響可以忽略掉，計(jì)算中對(duì)流換熱系數(shù)可以取20W/(m2·℃)~25W/(m2·℃)。
　　在隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)方面，隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)隨著列車的制動(dòng)過程的推進(jìn)呈現(xiàn)出不斷波動(dòng)的變化態(tài)勢(shì)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)振動(dòng)的最大最小加速度值分別為0.4332g和-0.5873g，列車制動(dòng)引起

6、的隧道襯砌結(jié)構(gòu)的豎向位移變化的最大最小值分別為1.031mm和-1.947mm。在應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變方面，應(yīng)力應(yīng)變將隨著列車的制動(dòng)呈現(xiàn)出周期性的變化，使隧道結(jié)構(gòu)處在一個(gè)交變的循環(huán)荷載下。隧道襯砌結(jié)構(gòu)頂部橫向應(yīng)力應(yīng)變的振動(dòng)方向與底部的振動(dòng)方向相反，而在隧道拱圈左邊的豎向應(yīng)力應(yīng)變的波動(dòng)方向與右邊的變化方向相同；同時(shí)結(jié)果顯示，在列車制動(dòng)末時(shí)刻隧道拱圈的頂部和隧道底面的豎向應(yīng)變較大，并且在隧道底面出現(xiàn)一個(gè)半橢圓狀的壓縮區(qū)域。
　　本文的研究結(jié)果