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轮轨系统动力学分析的并行计算研究

轮轨系统动力学分析的并行计算研究

作者：冯晓红西南交通大学

学位级别：硕士

随着科学研究与工程技术的不断发展，出现了许多大型复杂结构的力学分析问题。基于有限元方法的轮轨系统动力学理论就是一种较为复杂的数值计算问题，其复杂性主要表现在自由度多、并且伴随列车的运行不断地基于时间步长进行数值积分求... 详细信息

随着科学研究与工程技术的不断发展，出现了许多大型复杂结构的力学分析问题。基于有限元方法的轮轨系统动力学理论就是一种较为复杂的数值计算问题，其复杂性主要表现在自由度多、并且伴随列车的运行不断地基于时间步长进行数值积分求解。特别是随着轮轨系统动力学在道岔动力学中的应用，处理的问题更加复杂，计算时间长的问题，已成为实际应用中的一大障碍。提高其计算速度的一个有效方法就是采用并行计算技术。本论文对轮轨系统动力学的原有串行程序结构进行了剖析，以寻求并行处理的可行方法。首先从有限元模型建立着手，提出了按轨枕序号编排自由度，可将系数矩阵中非零元素按近似带状排列，使振动方程组的求解易于并行。随后在公式级对轮轨系统动力学振动方程组的组建进行了优化，将组建刚度矩阵、阻尼矩阵和荷载列阵模块化。通过对串行程序中各功能模块计算工作量的分析，线性方程组的求解在该串行程序中占有75％的工作量，并行求解线性方程组是本论文的一项主要工作。针对轮轨系统振动方程组系数矩阵的特点，分析了现有各种求解线性方程组并行算法的优缺点，选择高斯消去法、LU分解、LDR分解和WZ分解法作比较，采用循环带状划分的方法将系数矩阵的各行分配到各进程，由各个处理器完成所分配矩阵行的消元和分解。同时将振动方程组的组建交给不同的处理器来完成。最后将并行程序与串行程序的计算结果相比较，验证了该并行程序的正确性。采用循环带状划分、计算与通信重叠、根据曙光2000机结点计算能力分配任务量、合并通信等技术有效地提高了并行算法效率。分析对比了各种并行算法的复杂性，大量的数值试验表明LU分解法具有较高的加速比，WZ分解法具有较高的计算速度。本文工作为本人今后从事更为复杂的轮轨系统动力学分析的并行化研究打下了一定的基础，论文最后为进一步深化研究指出了发展方向。

关键词：轮轨系统动力学并行计算大规模并行处理MPP 加速比

扫掠力监测实验台轮轨系统动力学分析与实验研究

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扫掠力监测实验台轮轨系统动力学分析与实验研究

作者：陈庆广中南大学

学位级别：硕士

纵观国内外轮轨系统动力学的研究现状,扫掠力作用下轮轨系统的动力响应研究有待进一步深入。测定运行中车轮对轨道的扫掠力作用,对防止脱轨的研究、机车车辆对轨道结构影响的研究、轨道结构的设计、机车车辆的运行安全性,以及对掌握轨... 详细信息

纵观国内外轮轨系统动力学的研究现状,扫掠力作用下轮轨系统的动力响应研究有待进一步深入。测定运行中车轮对轨道的扫掠力作用,对防止脱轨的研究、机车车辆对轨道结构影响的研究、轨道结构的设计、机车车辆的运行安全性,以及对掌握轨道和机车车辆合理设计所需要的数据方面,都是不可缺少的。因此,对轮轨系统动力学的分析与研究具有重要价值。借助监测实验台,综合考虑轨道与路基系统各部分组成,进一步研究轮载扫掠力作用下轨道的变形机理问题。本文分别从轮轨系统动力学理论、瞬态动力学仿真以及实验对比验证等方面对轨道结构的动力学性能进行研究。论文的主要研究内容如下： (1)对国内外轮轨系统动力学的研究成果与研究现状进行了系统的分析,提出了本课题的研究意义与价值;依据模型的简化原则对监测实验台进行必要的简化,针对轮轨系统的运动形式,采用哈密尔顿原理对简化后的模型建立轮轨系统的运动方程;结合监测实验台的参数,采用经典的龙格-库塔法对轮轨系统的动力学方程进行求解与分析,研究载荷因子,速度因子以及支撑刚度因子对钢轨动力响应的影响;(2)建立监测实验台的有限元模型,运用有限元分析软件ANSYS对钢轨进行瞬态动力学仿真分析,同样对载荷因子,速度因子以及支撑刚度因子与钢轨动力响应间的规律进行了研究;(3)分别从载荷因子、速度因子等方面对监测实验台特性进行实验分析与研究;将理论、仿真以及实验得到的规律进行对比分析,总结规律的相同之处,对三者产生的差异进行误差分析,为进一步的研究提供可行的研究方法。

关键词：轮载扫掠力轮轨系统动力学载荷因子速度因子支撑刚度因子

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砂浆伤损对轮轨系统动力特性的影响研究

铁道学报 2014年第7期36卷 79-84页

作者：杨荣山刘克飞任娟娟刘丹刘学毅西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室四川成都610031 上海铁路局南京桥工段江苏南京210000

CRTSⅠ型板式无砟轨道的CA砂浆产生伤损后,容易形成轨道板板底脱空,造成轨道刚度局部突变,不利于轨道结构受力和行车安全。通过对框架型板式轨道砂浆层伤损进行现场试验,评估砂浆伤损对轨道系统动力特性的影响。基于轮轨系统动力学原理... 详细信息

CRTSⅠ型板式无砟轨道的CA砂浆产生伤损后,容易形成轨道板板底脱空,造成轨道刚度局部突变,不利于轨道结构受力和行车安全。通过对框架型板式轨道砂浆层伤损进行现场试验,评估砂浆伤损对轨道系统动力特性的影响。基于轮轨系统动力学原理,建立车辆-框架型板式轨道垂向耦合振动模型,研究分析不同形式、尺寸的砂浆伤损对轮轨系统动力特性的影响。现场试验和理论研究表明:宽度小于0.2m的砂浆伤损对行车的影响有限,列车轴重对砂浆伤损的影响明显;轨道板端砂浆伤损形式对轮轨系统振动的影响较大,当砂浆伤损沿纵向宽度超过0.6m时,车辆和轨道系统各部件动力响应明显增大;从动力学的角度出发,砂浆伤损沿轨道纵向宽度不宜超过0.6m,沿轨道横向宽度不宜超过0.2m。

关键词： CA砂浆伤损现场测试轮轨系统动力学

高速铁路列车车轮多边形化对道岔区动力学性能的影响

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机械工程学报 2018年第4期54卷 47-56页

作者：王平张荣鹤陈嘉胤徐井芒陈嵘西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室

为表征车轮多边形化对车辆通过道岔的动力学性能的影响,以高速动车组和客运专线12号道岔为研究对象,建立高速车辆-道岔耦合动力学模型。多边形车轮采用简谐波与实测多边形两种形式模拟,综合考虑多边形车轮经过道岔的状态、左右侧车轮分... 详细信息

为表征车轮多边形化对车辆通过道岔的动力学性能的影响,以高速动车组和客运专线12号道岔为研究对象,建立高速车辆-道岔耦合动力学模型。多边形车轮采用简谐波与实测多边形两种形式模拟,综合考虑多边形车轮经过道岔的状态、左右侧车轮分布方式、多边形阶数和幅值等影响因素,计算车轮多边形化车辆通过道岔的动力响应。结果表明,多边形车轮半径偏差变化率最大点经过心轨处的响应最大。随着多边形阶数增加,动力响应呈先增大后减小的趋势,15、16阶时响应达到最大;左右侧车轮多边形同相位分布比反相位分布的响应大。多边形幅值越大,轮轨垂向力和轮对垂向加速度越大,当幅值达到0.20 mm,轮轨垂向力超过安全限值,且幅值超过0.16 mm,响应会明显增强。多边形车轮对车辆通过道岔的平稳性影响较小。

关键词：车轮多边形化高速铁路道岔轮轨系统动力学轮轨垂向力

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轨道刚度的影响分析及动力学优化

西南交通大学学报 2004年第1期39卷 1-5页

作者：刘学毅西南交通大学土木工程学院四川成都610031

应用轮轨系统动力学的频域分析方法,研究了轨道刚度对轨道动力特性的影响规律.提出了轨道动力参数对轨道刚度的敏感系数的概念,依据敏感系数的特性,初步建立了轨道总刚度取值、扣件与道床刚度比值的动力学优化分析方法.作为算例,对我国... 详细信息

应用轮轨系统动力学的频域分析方法,研究了轨道刚度对轨道动力特性的影响规律.提出了轨道动力参数对轨道刚度的敏感系数的概念,依据敏感系数的特性,初步建立了轨道总刚度取值、扣件与道床刚度比值的动力学优化分析方法.作为算例,对我国高速铁路的轨道刚度进行了初步优化分析,认为轨道总刚度合理取值范围为62.0～86.9kN/mm,扣件与道床刚度的最优比值约为0.5.

关键词：轮轨系统动力学轨道刚度动力学优化频域分析

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道床裂纹对无砟轨道振动的影响初探

铁道学报 2010年第6期32卷 67-71页

作者：林红松刘学毅周文西南交通大学土木工程学院四川成都610031 中铁二院工程集团有限责任公司四川成都610031

为研究无砟轨道道床开裂后结构受力,将混凝土道床简化为黏弹性连续支承梁,引入损伤函数表达道床裂纹,基于轮轨系统动力学理论,建立考虑道床裂纹的车辆-双块式轨道垂向耦合动力学模型,计算分析了高速车辆通过具有半波余弦不平顺轨道时的... 详细信息

为研究无砟轨道道床开裂后结构受力,将混凝土道床简化为黏弹性连续支承梁,引入损伤函数表达道床裂纹,基于轮轨系统动力学理论,建立考虑道床裂纹的车辆-双块式轨道垂向耦合动力学模型,计算分析了高速车辆通过具有半波余弦不平顺轨道时的振动响应,并分析了车辆速度对轨道有无裂纹时振动的影响。结果表明,道床裂纹对车辆和钢轨的振动影响很小,而对道床本身及其下部结构的振动影响较为显著,道床动弯应力和路基面动应力随着车辆速度的增大而明显增大。

关键词：无砟轨道裂纹轮轨系统动力学

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市域快线减振垫浮置板轨道过渡段动力学分析

铁道工程学报 2022年第3期39卷 40-45页

作者：冯青松孙魁华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心南昌330013

研究目的:为研究市域快线减振垫浮置板轨道过渡段的合理设置,根据车辆-轨道耦合动力学原理,建立车辆-过渡段无砟轨道垂向耦合动力学计算模型,计算CRH6型动车以160 km/h的速度经过双块式无砟轨道-橡胶减振垫浮置板轨道过渡段时所引起的... 详细信息

研究目的:为研究市域快线减振垫浮置板轨道过渡段的合理设置,根据车辆-轨道耦合动力学原理,建立车辆-过渡段无砟轨道垂向耦合动力学计算模型,计算CRH6型动车以160 km/h的速度经过双块式无砟轨道-橡胶减振垫浮置板轨道过渡段时所引起的轮轨系统动力响应,并选取钢轨挠度变化率作为评价指标来衡量过渡段设置的合理性,详细分析不同减振垫刚度、过渡段级数和相邻过渡段刚度比对钢轨挠度变化率的影响。研究结论:(1)双块式无砟轨道和橡胶减振垫浮置板轨道连接处的刚度差对轮下钢轨位移和钢轨挠度变化率的影响十分显著,而对车体垂向加速度和轮轨力的影响相对较小;(2)当橡胶减振垫刚度小于或等于50 MPa/m时,钢轨挠度变化率超过0.30 mm/m的限值,需要在两种轨道连接处设置一定长度的刚度过渡段;(3)当标准减振段减振垫刚度为25 MPa/m时,建议设置三级刚度过渡段,每一级过渡段的长度为单块轨道板长,过渡段总长度为19.5 m,且相邻过渡段刚度比取值范围宜为1.4~1.6;(4)本研究结论可为市域快线橡胶减振垫浮置板轨道过渡段的设计提供一定的理论指导。

关键词：市域快线橡胶减振垫浮置板轮轨系统动力学过渡段

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重载线路钢轨波形磨耗成因研究

铁道学报 2000年第1期22卷 98-103页

作者：刘学毅王平万复光西南交通大学土木建筑工程学院四川成都610031

对钢轨波磨成因理论和我国重载线路钢轨波磨的特征进行了总结，发展了一个适用于波磨成因分析的轮轨空间耦合振动模型。以轮轨间磨耗功为研究对象，发现了钢轨波磨是由一定条件下，轮轨系统垂向振动、轮对扭转振动和弯曲振动发生自激及... 详细信息

对钢轨波磨成因理论和我国重载线路钢轨波磨的特征进行了总结，发展了一个适用于波磨成因分析的轮轨空间耦合振动模型。以轮轨间磨耗功为研究对象，发现了钢轨波磨是由一定条件下，轮轨系统垂向振动、轮对扭转振动和弯曲振动发生自激及交叉激扰形成的粘滑振动所致。同时发现了粘滑振动具有多种型态，且与不同的波磨特征相对应，并列举了四类粘滑振动。综合多种现有波磨成因理论，建立了“轮对粘滑振动－钢轨不均匀磨损”的成因理论。

关键词：钢轨波形磨耗轮轨系统动力学粘滑振动铁路

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曲线钢轨侧面磨耗的形成机理及减缓措施

曲线钢轨侧面磨耗的形成机理及减缓措施

作者：高长宇西南交通大学

学位级别：硕士

钢轨侧面磨耗是工务工程中普遍存在的问题，大量的钢轨磨耗缩短了钢轨的使用寿命，增加了铁路运营成本。近年来，随着列车提速和5000t重载列车的开行，钢轨侧面磨耗的问题更显突出。本文首先从我国路网干线的现状、客货运输的特点... 详细信息

钢轨侧面磨耗是工务工程中普遍存在的问题，大量的钢轨磨耗缩短了钢轨的使用寿命，增加了铁路运营成本。近年来，随着列车提速和5000t重载列车的开行，钢轨侧面磨耗的问题更显突出。本文首先从我国路网干线的现状、客货运输的特点，指出了减缓曲线钢轨侧磨对于我国铁路具有的现实意义，同时介绍了国内外关于轮轨磨耗研究的发展现状。从轮轨摩擦、轮轨接触几何关系、轮轨接触应力和轮轨蠕滑等方面对钢轨侧面磨耗机理进行了探讨，从轨道几何参数、机车车辆运营条件等方面对钢轨侧面磨耗的影响因素进行了重点分析和总结;应用轮轨系统动力学，建立了轮轨空间耦合振动时变模型，采用Vogel侧磨指数作为钢轨侧磨指标，系统分析了轮轨参数变化的情况下，轨头侧面磨耗的变化规律，重点分析了轨道不平顺对钢轨不均匀侧磨的影响;对山海关工务段1990年以后现场测得的曲线钢轨侧磨数据进行了分析，通过拟合得到了钢轨侧磨量与运量的关系曲线，并总结了曲线上股钢轨侧面磨耗的特征和发生、发展规律;最后提出了一些减缓曲线钢轨侧面磨耗的措施。

关键词：曲线钢轨侧磨轮轨系统动力学减缓措施