基于SIMPACK的钢桁梁斜拉桥车-桥系统动力性能分析

基于SIMPACK的钢桁梁斜拉桥车-桥系统动力性能分析朱伟;戚铁;贾亮

【摘要】为研究铁路高速化、重载化引起的车-桥系统耦合动力问题,以新建南广客运专线郁江双线主跨228 m钢桁梁斜拉桥为工程背景,采用有限元软件ANSYS建立桥梁的动力模型并进行子结构分析、模态分析;采用多体动力学通用软件SIMPACK建立CRH2动车组模型,通过读取桥梁模态信息,在SIMPACK中实现列车与桥梁的数据交换,最终实现车-桥系统动力性能分析.对分析结果进行评估,结论为:当CRH2动车组以设计速度200km/h通过该桥时,列车走行性具有“优良”的动力性能;以基础设施预留250km/h的速度通过该桥时,除了列车横向总体舒适性指标为“良好”外,其余列车走行性具有“优良”的动力性能.这说明桥梁能提供足够的刚度,满足高速列车运行的高平顺性要求.

【期刊名称】《铁道标准设计》

【年(卷),期】2014(058)007

【总页数】6页(P89-94)

【关键词】车-桥系统动力性能;钢桁梁斜拉桥;子结构分析;多体动力学;SIMPACK 【作者】朱伟;戚铁;贾亮

【作者单位】中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院,太原030013;中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院,太原030013;中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院,太原030013

【正文语种】中文

【中图分类】U441+.3

随着中国铁路的高速化、重载化发展以及桥梁结构在铁路线中所占比例的增加,由桥梁结构刚度而引起列车运行的安全性、舒适性及平稳性问题越来越突出［1]。为此,原铁道部在2005年颁布的《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1―2005)增加了特殊结构及代表性桥梁应进行车桥耦合动力响应分析的内容［2]。

列车通过桥梁会引起桥梁振动,同时桥梁的振动亦会影响列车的振动,此时,车-桥系统的刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵及荷载列阵均随着列车在桥上的运行而变化,此种状况称为车-桥时变系统的耦合振动［3-4]。目前国内解决该问题的通常做法是编制仿真软件［5],但是研究该问题的每个工程人员都要编制仿真软件,这显然是不现实的。

基于此,利用通用多体动力学软件SIMPACK在列车快速建模及轮轨接触模拟方面的优势,并结合通用有限元软件ANSYS 对车-桥系统进行动力性能分析更具有实际应用意义［6]。采用联合仿真的具体流程如图1所示。

本文以新建南广铁路郁江双塔双索面钢析梁斜拉桥为工程背景,采用联合仿真的方法对该桥车-桥系统的动力性能进行分析,旨在为基于SIMPACK的车桥耦合动力性能分析提供参考。

2.1 桥梁有限元模型及自振特性分析

该斜拉桥桥跨布置为(36+96+228+96+36)m。主梁采用下承式三角形析架结构,两片主析析间距为15 m,析高14 m,节间长度12 m,主塔两侧各设置8对斜拉索锚固于主析上弦节点,斜索呈扇形分布。桥面采用正交异性钢板整体道作结构,钢桥面板与带整体节点的主析下弦杆通长连接,共同承受主析内力。主塔为花瓶形钢筋混凝土结构,混凝土强度等级为C50,塔高为102.5 m,斜拉索在主梁及主塔上的间距分别为12 m和2 m。该桥线路等级为I级,线间距为4.6 m,设计运行速度为200 km/h,基础设施保留250 km/h运行速度［7]。

采用有限元软件ANSYS对斜拉桥进行离散,钢析架杆件、桥塔及桥墩采用空间梁单元,斜拉索采用空间杆单元,桥面板采用板单元,墩梁支座通过主从节点模拟。桥梁所用材料与杆件截面特性与实桥保持一致、质量通过调整密度的方法使其逼近实际情况。斜拉索由于自重引起的非线性效应,采取Ernst公式对其弹性模量进行修正的方法加以考虑。该钢析梁斜拉桥有限元仿真分析模型见图2。

根据建立的该斜拉桥动力分析模型,计算桥梁的自振特性,其中桥梁前10阶自振频率及相应振型的计算结果见表1。

通过对该桥自振特性计算分析可以看出,由于主梁采用半漂浮体系,结构第1阶模态为主梁纵漂,频率为0.399 2 Hz；主梁横弯基频出现在第2阶,其频率为0.647 3 Hz,振型为对称横弯；主梁竖弯基频出现在第3阶,其频率为0.861 4 Hz,振型为对称竖弯。由于主梁采用正交异性桥面板的析架结构,其扭转刚度较大,结构扭转振型在第9阶出现,扭转基频为1.974 7 Hz,这有利于增强桥梁的抗风性能。

2.2 列车多体动力学模型

列车单节车辆可以认为主要由1个车体、2个转向架和4个轮对组成,轮对和转向架之间通过一系悬挂系统连接,转向架和车体之间通过二系悬挂连接。一系悬挂系统通过轴向定位装置和垂向液压减振器提供各方向的刚度和阻尼,二系悬挂系统通过空气弹簧、弹性止档、横向减振器、垂向减振器、抗蛇形减振器以及抗侧滚扭杆装置提供各方向的刚度和阻尼［8-9]。利用多体动力学软件SIMPACK对车辆建模和仿真,就是通过刚柔体、约束、力元以及轮轨接触等元素的定义,来确定车辆各部分组件特性及其连接关系,从而自动形成一系列的车辆多体动力学的控制方程,并求解其形成的微分方程［10]。

本文所建立的车辆模型是根据CRH2动车组的结构及动力学参数,在作了一些具体简化的基础上,通过SIMPACK Wheel/Rail模块所建立的。建模时车体、转向架、轮对每个刚体考虑伸缩、横摆、浮沉、点头、侧滚、摇头6个自由度,每节车辆共

考虑42个自由度；轮轨接触几何关系采用单点非线性弹性接触,轮轨法向力时采用Hertz非线形弹性接触理论；计算轮轨蠕滑力时首先按Kalker线形理论计算,然后采用Johnson-Vermeulen理论进行非线性修正［11]；激励源采用德国低干扰谱变换出得轨道不平顺样本；同时考虑了一、二系悬挂等弹簧-阻尼元件的非线性因素。建成的CRH2型动车组模型采用8节编组,四动四拖,由2个动力单元组成,每个动力单元由2个动车2个拖车(T+M+M+T)组成,建立的动车组模型如图3所示,动车组模型最大残余加速度为1.43×10-5m/s2,动车组模型是合理的［12]。

2.3 ANSYS模型与SIMPACK模型的耦合

通过有限元软件ANSYS建立的桥梁动力学分析模型,经过动力子结构分析和模态分析之后,将生成包括质量矩阵M、刚度矩阵K的文件(*.sub文件)和模态振型文件(*.rst文件),然后由SIMPACK接口程序FEMBS生成*.FBI文件和*.obj文件,该文件形式不再依赖于有限元程序而独立存在。利用SIMPACK的柔性轨道模块,读入桥梁结构模型的信息,求解时,列车与桥梁的动力相互作用通过在轮轨接触面离散的信息点上进行数据交换,最终实现车-桥时变系统的联合仿真分析［13]。SIMPACK采用的是基于所谓DAE (隐式方程积分方法)的SODASRT算法,MBS求解器通过在信息点上进行时间积分控制联合模拟的过程［14]。该双线钢析梁斜拉桥车-桥时变系统动力仿真分析模型如图4所示。

通过SIMPACK和ANSYS联合仿真分析CRH2型列车以不同的速度、不同行车方式通过该钢析梁斜拉桥的车-桥系统动力响应,并对车-桥动力性能进行评估。计算时,求解器的绝对误差取1×10-4,积分步长取0.01 s。各工况作用下桥梁动力响应及列车动力响应的计算结果汇总见表2,该表中所列结果均为理论计算的最大值。联合仿真的计算结果显示:除了列车组分别以225、250 km/h,双线对开通过斜拉桥工况下的轮轨减载率超限外,其他工况下列车动力响应以及桥梁动力响应均为优良、良好及合格。文献［4]指出,列车动力性能相关的鉴定规范为静态和准静态条