版权说明 操作指南
首页 > 成果 > 详情

车辆引起隧道与土体竖向振动的时频混合预测方法及系统

认领
导出
反馈
分享
QQ微信 微博
成果类型:
专利
发明/设计人:
王力东;韩艳;朱志辉;胡朋;李春光;...
申请/专利权人:
长沙理工大学
专利类型:
发明专利
语种:
中文
申请时间:
2020-06-08
申请/专利号:
CN202010514190.4
公开时间:
2020-09-29
公开号:
CN111723423A
主申请人地址:
410114 湖南省长沙市天心区万家丽南路二段960号
申请地区:
湖南
机构署名:
本校为第一完成单位
主权项:
1.一种车辆引起隧道与土体竖向振动的时频混合预测方法,其特征在于,包括: 步骤1:建立隧道-土体2.5D FEM-PML模型,以及车辆-轨道-隧道-土体2D多体动力学-有限元模型; 步骤2:根据所述步骤1中车辆-轨道-隧道-土体2D多体动力学-有限元模型,在时域内计算轨道-隧道的竖向相互作用力; 步骤3:根据所述步骤2中轨道-隧道的竖向相互作用力,在频域-波数域内建立所述步骤1中隧道-土体2.5D FEM-PML模型的动力方程; 步骤4:求解所述步骤3中隧道-土体2.5D FEM-PML模型的动力方程,获得频域-波数域内隧道-土体2.5D FEM-PML模型的动力响应; 步骤5:根据所述步骤4中频域-波数域内隧道-土体2.5D FEM-PML模型的动力响应,计算时域-空间域内隧道-土体2.5D FEM-PML模型的振动响应; 步骤6:根据所述步骤5中隧道-土体2.5D FEM-PML模型的振动响应计算隧道-土体对应的竖向振级。 2.如权利要求1所述的一种车辆引起隧道与土体竖向振动的时频混合预测方法,其特征在于:所述步骤1中,在隧道-土体2.5D FEM-PML模型建立时,隧道、隧道周围所研究范围内的土体均采用4节点或8节点平面壳单元进行离散,且在每个平面壳单元的节点上增加一个纵向自由度,并将该自由度坐标从空间域转换至波数域; 在研究范围的边界处设置最佳匹配层单元,并采用4节点或8节点平面单元进行离散。 3.如权利要求1所述的一种车辆引起隧道与土体竖向振动的时频混合预测方法,其特征在于:所述步骤1中,在车辆-轨道-隧道-土体2D多体动力学-有限元模型建立时,车辆采用多体动力学进行模拟,车辆包括车体、转向架、轮对、一系悬挂以及二系悬挂,所述车体与转向架之间通过二系悬挂连接,所述转向架与轮对之间通过一系悬挂连接; 轨道-隧道-土体采用2D的三层弹性地基梁有限元模型进行模拟,钢轨、轨道板和隧道均采用欧拉梁模型进行模拟,并采用有限元法进行离散;扣件、弹性垫层以及土体的弹性支撑通过线性弹簧-阻尼器进行模拟; 将车辆模型与轨道-隧道-土体模型之间通过线性赫兹接触弹簧连接,即得到所述的车辆-轨道-隧道-土体2D多体动力学-有限元模型。 4.如权利要求1或3所述的一种车辆引起隧道与土体竖向振动的时频混合预测方法,其特征在于:所述步骤1中,车辆-轨道-隧道-土体2D多体动力学-有限元模型的参数确定步骤为: 步骤1.1:在隧道-土体2.5D FEM-PML模型的基础上增加轨道模型,得到轨道-隧道-土体2.5D FEM-PML模型; 步骤1.2:将轨道-隧道-土体的2D三层弹性地基梁有限元模型替换为轨道-隧道-土体的2D三层弹性地基梁解析模型; 步骤1.3:分别计算2D三层弹性地基梁解析模型和2.5D FEM-PML模型的钢轨竖向柔度系数; 步骤1.4:调节扣件、弹性垫层和土体的弹性支撑弹簧-阻尼器单元的刚度和阻尼,使基于三层弹性地基梁解析模型计算的钢轨竖向柔度系数与基于2.5D FEM-PML模型计算的钢轨竖向柔度系数之间的相对误差小于设定误差精度,来确定轨道-隧道-土体的2D三层弹性地基梁解析模型的相关参数; 步骤1.5:根据轨道-隧道-土体的2D三层弹性地基梁解析模型的相关参数,以及基于每延米刚度和阻尼相等原则,确定轨道-隧道-土体2D三层弹性地基梁有限元模型中扣件、弹性垫层和土体弹性支撑弹簧-阻尼器的刚度和阻尼。 5.如权利要求1-3中任一项所述的一种车辆引起隧道与土体竖向振动的时频混合预测方法,其特征在于:所述步骤2中,轨道-隧道的竖向相互作用力的计算方法为: 步骤2.1:基于强耦合法建立所述车辆-轨道-隧道-土体2D多体动力学-有限元模型的耦合动力方程,所述耦合动力方程具体为: 其中,Mv、Cv、Kv分别为车辆模型的质量、阻尼和刚度矩阵,Mt、Ct、Kt分别为轨道-隧道-土体模型的质量、阻尼和刚度矩阵,K′v、K′t(t)分别为轮轨接触刚度在车辆模型、轨道-隧道-土体模型中的附加刚度,Kvt(t)、Ktv(t)均为轮轨耦合相互作用矩阵,Uv(t)、分别为车辆模型的位移、速度和加速度向量,Ut(t)、分别为轨道-隧道-土体模型的位移、速度和加速度向量,Fv(t)、Ft(t)分别为车辆模型、轨道-隧道-土体模型所受荷载向量; 步骤2.2:求解所述步骤2.1中耦合动力方程,得到轨道节点与隧道节点的竖向振动位移和竖向振动速度; 步骤2.3:根据所述步骤2.3中竖向振动位移和竖向振动速度计算所述竖向相互作用力,具体计算公式为: 其中,kmj、cmj分别为第j个轨道与隧道连接弹簧-阻尼器的刚度、阻尼;fj(t)为对应弹簧-阻尼器的内力,即轨道-隧道的竖向相互作用力;umj(t)、分别为对应弹簧-阻尼器的竖向相对位移、竖向相对速度,即轨道节点与隧道节点的竖向振动位移和竖向振动速度。 6.如权利要求5所述的一种车辆引起隧道与土体竖向振动的时频混合预测方法,其特征在于:所述步骤2.2中,采用Euler-Gauss法、Newmark-β法、Wilson-θ法或中心差分法求解所述耦合动力方程。 7.如权利要求1-3中任一项所述的一种车辆引起隧道与土体竖向振动的时频混合预测方法,其特征在于:所述步骤3中,隧道-土体2.5D FEM-PML模型的动力方程为: 其中,分别为有限元区域、最佳匹配层区域的全局刚度矩阵;分别为有限元区域、最佳匹配层区域对应的全局质量矩阵;u(kx,ω)为频域-波数域中的节点位移向量;F(kx,ω)为频域-波数域中的节点载荷向量,F(kx,ω)是通过对轨道-隧道的竖向相互作用力做快速傅里叶变换而得到的;kx为轨道延伸方向的波数,单位rad/m,ω为振动圆频率,单位rad/s。 8.如权利要求1-3中任一项所述的一种车辆引起隧道与土体竖向振动的时频混合预测方法,其特征在于:所述步骤5中,采用双重傅里叶逆变换将频域-波数域内的动力响应转换至时域-空间域内的振动响应,具体转换表达式为: 其中,为频域-波数域内隧道-土体2.5D FEM-PML模型的动力响应,u(x,y,z,t)为时域-空间域内隧道-土体2.5D FEM-PML模型的振动响应,kx为轨道延伸方向的波数,单位rad/m,ω为振动圆频率,单位rad/s。 9.如权利要求1-3中任一项所述的一种车辆引起隧道与土体竖向振动的时频混合预测方法,其特征在于:所述步骤6中,隧道-土体对应的竖向振级包括振动速度级、振动加速度级以及Z振级。 10.一种车辆引起隧道与土体竖向振动的时频混合预测系统,其特征在于,包括: 模型建立单元,用于建立隧道-土体2.5D FEM-PML模型,以及车辆-轨道-隧道-土体2D多体动力学-有限元模型; 作用力计算单元,用于根据所述车辆-轨道-隧道-土体2D多体动力学-有限元模型,在时域内计算轨道-隧道的竖向相互作用力; 动力方程构建单元,用于根据所述轨道-隧道的竖向相互作用力,在频域-波数域内建立所述隧道-土体2.5D FEM-PML模型的动力方程; 动力响应获取单元,用于求解所述隧道-土体2.5D FEM-PML模型的动力方程,获得频域-波数域内隧道-土体2.5D FEM-PML模型的动力响应; 振动响应计算单元,用于根据所述频域-波数域内隧道-土体2.5D FEM-PML模型的动力响应,计算时域-空间域内隧道-土体2.5D FEM-PML模型的振动响应; 振级计算单元,用于根据所述隧道-土体2.5D FEM-PML模型的振动响应计算隧道-土体对应的竖向振级。
摘要:
本发明公开了一种车辆引起隧道与土体竖向振动的时频混合预测方法及系统,通过建立2D的车辆‑轨道‑隧道‑土体MBS/FEM模型(即2D多体动力学‑有限元模型)在时域中获取轨道与隧道的竖向相互作用力,通过将轨道与隧道的竖向相互作用力转换至频域并施加在隧道‑土体2.5D FEM‑PML模型,完成隧道‑土体在频域‑波数域的振动计算,最后计算出隧道‑土体的竖向振级,既发挥了时域求解在轨道离散支撑特性、局部缺陷模拟上的灵活性,又发挥了频域求解在土体振动计算上的高效性,在使最后的计算结果更加符合实际情况的同时提高了计算效率。

反馈

验证码:
看不清楚,换一个
确定
取消

成果认领

标题:
用户 作者 通讯作者
请选择
请选择
确定
取消

提示

该栏目需要登录且有访问权限才可以访问

如果您有访问权限,请直接 登录访问

如果您没有访问权限,请联系管理员申请开通

管理员联系邮箱:yun@hnwdkj.com