本發(fā)明屬于車輛橋梁耦合振動(dòng)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于車橋耦合理論的貨車過橋?qū)崟r(shí)平均動(dòng)態(tài)坡度計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

1、隨著鐵路橋梁向大跨度、高柔度發(fā)展，在列車荷載下橋梁變形明顯，使得橋梁軌道線形同時(shí)改變，進(jìn)而更改輪軌接觸狀態(tài)，影響列車行駛穩(wěn)定性。對(duì)于貨運(yùn)列車而言，高軸重、長編組等特性使得橋梁變形更加顯著，橋梁的變形會(huì)對(duì)貨車實(shí)際運(yùn)行的坡度產(chǎn)生直接影響，尤其在疊加橋梁設(shè)計(jì)縱斷面后，過大的坡度會(huì)對(duì)貨車的牽引性能帶來更大的挑戰(zhàn)，可能會(huì)出現(xiàn)牽引能力不足，重載列車斷鉤等情況。因此需要在橋梁設(shè)計(jì)階段對(duì)車輛過橋時(shí)的動(dòng)態(tài)坡度進(jìn)行檢算。

2、傳統(tǒng)的坡度檢算方法一般將列車視為剛體，使用較為簡單的靜態(tài)移動(dòng)荷載方法計(jì)算橋梁變形及坡度，但實(shí)際的貨車過橋問題中，涉及復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)耦合問題，尤其對(duì)于具有高軸重特點(diǎn)的貨車，忽視其動(dòng)力耦合問題會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的準(zhǔn)確度下降，因此需針對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)建立精細(xì)化的動(dòng)力學(xué)模型，開展車-橋耦合求解?；谲嚇蝰詈锨蠼饨Y(jié)果，開展動(dòng)態(tài)坡度評(píng)價(jià)。

3、因此，通過基于車橋耦合理論獲得貨車過橋時(shí)的動(dòng)態(tài)坡度，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供的一種基于車橋耦合理論的貨車過橋?qū)崟r(shí)平均動(dòng)態(tài)坡度計(jì)算方法提高了貨車過橋時(shí)動(dòng)態(tài)坡度的計(jì)算準(zhǔn)確度。

2、為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于車橋耦合理論的貨車過橋?qū)崟r(shí)平均動(dòng)態(tài)坡度計(jì)算方法，包括以下步驟：

3、s1、建立考慮貨車車型、車重和編組的車輛動(dòng)力學(xué)模型；

4、s2、根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)模型獲取輪對(duì)的側(cè)滾角位移、搖頭角位移和橫向位移；

5、s3、使用空間梁單元對(duì)主梁與橋墩進(jìn)行建模，使用空間桿單元對(duì)主纜、吊索和斜拉索進(jìn)行模擬；

6、s4、利用有限元軟件計(jì)算橋梁附加變形，并根據(jù)橋梁附加變形、輪對(duì)的側(cè)滾角位移、搖頭角位移和橫向位移求解橋梁動(dòng)力響應(yīng)，得到貨車各輪對(duì)下的橋梁節(jié)點(diǎn)位移；

7、s5、對(duì)貨車各輪對(duì)下的橋梁節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行微分，得到貨車過橋時(shí)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)坡度；

8、s6、根據(jù)各節(jié)車的車重對(duì)貨車過橋時(shí)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)坡度進(jìn)行加權(quán)，獲得貨車過橋時(shí)整體的平均等效坡度。

9、進(jìn)一步地，所述車輛動(dòng)力學(xué)模型包括輪對(duì)運(yùn)動(dòng)方程、構(gòu)架運(yùn)動(dòng)方程和車體運(yùn)動(dòng)方程。

10、進(jìn)一步地，所述輪對(duì)運(yùn)動(dòng)方程、構(gòu)架運(yùn)動(dòng)方程和車體運(yùn)動(dòng)方程均包括橫向運(yùn)動(dòng)、垂向運(yùn)動(dòng)、側(cè)滾運(yùn)動(dòng)、搖頭運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：

11、

12、

13、

14、其中，mc為車體質(zhì)量；mt為構(gòu)架質(zhì)量；mw為輪對(duì)質(zhì)量；iwx為輪對(duì)繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；iwy為輪對(duì)繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；iwz為輪對(duì)繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；itx為構(gòu)架繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ity為構(gòu)架繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；itz為構(gòu)架繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；icx為車體繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；icy為車體繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；icz為車體繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ktx為二系懸掛縱向剛度；kty為二系懸掛橫向剛度；ktz為二系懸掛垂向剛度；ctx為二系懸掛縱向阻尼；cty為二系懸掛橫向阻尼；ctz為二系懸掛垂向阻尼；kpx為一系懸掛縱向剛度；kpy為一系懸掛橫向剛度；kpz為一系懸掛垂向剛度；cpx為一系懸掛縱向阻尼；cpy為一系懸掛橫向阻尼；cpz為一系懸掛垂向阻尼；kmy為橫向止擋剛度；krx為抗側(cè)滾剛度；csx為抗蛇行減振器阻尼；hcb為車體質(zhì)心與搖枕質(zhì)心的距離；hbt為搖枕質(zhì)心與構(gòu)架質(zhì)心的距離；htw為構(gòu)架質(zhì)心與輪對(duì)質(zhì)心的距離；lc為車輛定距之半；lt為車輛固定軸距之半；dsk為中央彈簧橫向距離之半；dsc為二系垂向減振器橫向距離之半；dwk為軸箱彈簧橫向距離之半；dwc為軸箱減振器橫向距離之半；dsx為抗蛇行減振器橫向距離之半；δ0為二系橫向止擋間隙；yc、zc、φc、ψc、βc分別為車體橫向、垂向、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭位移；分別為車體橫向、垂向、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭速度；分別為車體橫向、垂向、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭加速度；ytj、ztj、φtj、ψtj、βtj分別為第j構(gòu)架橫向、垂向、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭位移；分別為第j構(gòu)架橫向、垂向、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭速度；分別為第j構(gòu)架橫向、垂向、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭加速度；ywi、zwi、φwi、ψwi、βwi分別為第i輪對(duì)橫向、垂向、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭位移；分別為第i輪對(duì)橫向、垂向、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭速度；分別為第i輪對(duì)橫向、垂向、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭加速度；r0為車輪的名義滾動(dòng)半徑；rli、rri為第i位輪對(duì)左、右輪的滾動(dòng)半徑；ω為輪對(duì)的名義滾動(dòng)速度；d0為左右輪軌接觸點(diǎn)距離之半；flxi、frxi為第i輪對(duì)左、右輪所受蠕滑力在x軸上的分量；flyi、fryi為第i輪對(duì)左、右輪所受蠕滑力在y軸上的分量；flzi、frzi為第i輪對(duì)左、右輪所受蠕滑力在z軸上的分量；nlxi、nrxi為第i輪對(duì)左、右輪所受法向力在x軸上的分量；nlyi、nryi為第i輪對(duì)左、右輪所受法向力在y軸上的分量；nlzi、nrzi為第i輪對(duì)左、右輪所受法向力在z軸上的分量；mlxi、mrxi為第i輪對(duì)左、右輪所受蠕滑力矩在x軸上的分量；mlyi、mryi為第i輪對(duì)左、右輪所受蠕滑力矩在y軸上的分量；mlzi、mrzi為第i輪對(duì)左、右輪所受蠕滑力矩在z軸上的分量。

15、進(jìn)一步地，所述步驟s4具體為：

16、s401、利用有限元軟件計(jì)算橋梁附加變形；

17、s402、根據(jù)上一時(shí)間步貨車的速度、位移和加速度，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，計(jì)算貨車的運(yùn)行距離，并基于貨車的運(yùn)行距離對(duì)應(yīng)橋梁上的具體位置，將橋梁上的具體位置與橋梁附加變形相加，得到貨車的實(shí)際位置；

18、s403、根據(jù)貨車的實(shí)際位置、輪對(duì)的側(cè)滾角位移、搖頭角位移和橫向位移，采用跡線法尋找到輪軌接觸點(diǎn)；

19、s404、根據(jù)輪軌接觸點(diǎn)，基于hertz非線性彈性接觸理論，計(jì)算輪軌接觸法向力；

20、s405、以kalker的線性蠕滑理論計(jì)算輪軌蠕滑力，并采用沈氏理論進(jìn)行修正，得到修正后的輪軌蠕滑力；

21、s406、根據(jù)輪軌接觸法向力和修正后的輪軌蠕滑力，得到輪軌相互作用力ft-v；

22、s407、根據(jù)輪軌相互作用力，利用鋼軌方程，得到橋軌相互作用力；

23、s408、將橋軌相互作用力作為橋梁運(yùn)動(dòng)方程的外荷載，通過newmark—β法求解橋梁動(dòng)力響應(yīng)，獲得各橋梁節(jié)點(diǎn)各個(gè)自由度方向上的橋梁位移；

24、s409、根據(jù)各橋梁節(jié)點(diǎn)各個(gè)自由度方向上的橋梁位移，使用三次樣條插值法得到貨車各輪對(duì)下的橋梁節(jié)點(diǎn)位移。

25、進(jìn)一步地，所述步驟s6中貨車過橋時(shí)整體的平均等效坡度的表達(dá)式為：

26、ieq(t)＝fs(t)/∑npn

27、fs(t)＝∑npnin(t)

28、其中，ieq(t)為貨車過橋時(shí)整體的平均等效坡度；t為時(shí)間；fs(t)為貨車總的坡度附加阻力；pn為第n節(jié)車的重量；in(t)為第n節(jié)車運(yùn)行時(shí)間t時(shí)所處位置處的坡度；n為車廂編號(hào)。

29、本發(fā)明的有益效果為：發(fā)明針對(duì)與貨車、橋梁與軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精細(xì)化的動(dòng)力模型建立并構(gòu)建了動(dòng)力學(xué)求解流程方法。充分考慮了貨車的高軸重、長編組在過橋時(shí)與橋梁的動(dòng)力學(xué)耦合效應(yīng)。使用三次樣條插值方法較為精確的計(jì)算了貨車過橋時(shí)每節(jié)車每個(gè)輪對(duì)的空間絕對(duì)位置，利用平均坡度方法考慮全車長范圍內(nèi)的整體坡度，為貨車的過橋性能提供評(píng)估方法，橋梁的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。