列車制動熱力耦合振動對隧道結構的擾動分析.pdf

1、為了分析列車制動對隧道結構擾動的影響，探究列車制動熱力耦合情況下的隧道結構的響應，本文依據有限元軟件ANSYS，建立了列車制動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構計算模型，并選用了詳細的模型計算參數，對列車制動輪軌摩擦熱和隧道振動響應進行了全面的分析，取得了一些重要的研究結果。
　　本文首先推導了列車制動輪軌摩擦傳熱的控制方程，給出了列車-隧道結構的振動有限元迭代方程；其次建立了列車制動輪軌摩擦熱直接耦合的三維有

2、限元模型和隧道結構的計算模型，選取了計算用的詳細的材料參數和力學參數，并且說明了有限元的計算方法；最后計算分析了列車制動輪軌摩擦熱等的分布規(guī)律和輪軌系統(tǒng)的振動特性，用取得的鋼軌底面彈性地基的振動加速度值作為隧道結構振動的激勵，研究了隧道結構在該激勵下的響應，給出了隧道結構振動的時程曲線圖和列車制動末時刻的振動特性云圖。本文研究主要的結論有以下幾方面。
　　在列車制動輪軌靜態(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；車輪最大的等效應力值為599.3MPa，距離車輪表面0.45mm，鋼軌的最大等效應力值為559.6MPa，距離鋼軌表面0.17mm。在列車制動輪軌瞬態(tài)熱分析方面，先分析了輪軌摩擦熱與摩擦系數之間的關系，計算結果表明當摩擦系數隨溫度變化時，鋼軌表面溫度場及其外輪廓隨著制動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)域彈塑性變形導致列車向前運動的主矢方向不斷發(fā)生變化以及車輪在豎向發(fā)生輕微移動造成的。常摩擦系數計算

4、獲得的鋼軌表面溫度場及其外輪廓之間具有相似性，但不同于摩擦系數隨溫度變化時的計算結果；另外列車制動摩擦熱深度影響范圍在2.6mm~3.4mm之間。對于車輪而言，在制動速度為1m/s時，當摩擦系數隨溫度變化時其表面的高溫區(qū)的中心位置處于溫度場的前緣區(qū)，摩擦系數為常量時高溫的中心位置處在溫度場的中心位置。另外，當摩擦系數隨溫度變化時最高溫度和最低溫度之間的變化范圍大于常摩擦系數最高最低溫度之間的變化范圍。
　　列車通過隧道時強對流環(huán)境

5、對鋼軌表面的溫度場和鋼軌表面的熱通量影響很小，不同對流換熱系數對列車輪軌摩擦熱溫度場的影響在10℃的范圍內，計算結果說明隧道強對流環(huán)境對列車在短時間內制動引起的輪軌摩擦熱的影響可以忽略掉，計算中對流換熱系數可以取20W/(m2·℃)~25W/(m2·℃)。
　　在隧道結構的振動方面，隧道結構的振動隨著列車的制動過程的推進呈現(xiàn)出不斷波動的變化態(tài)勢，隧道襯砌結構振動的最大最小加速度值分別為0.4332g和-0.5873g，列車制動引起

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