輕軌車輛與斜拉橋動(dòng)態(tài)耦合系統(tǒng)的數(shù)值模擬方法及應(yīng)用.pdf

1、斜拉橋由于造型美觀、受力合理、跨越能力強(qiáng),成為近年來橋梁建設(shè)的主要橋型之一。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,一方面,斜拉橋的跨度越來越大,材料越來越輕;另一方面,車速不斷提高、交通密度不斷增加、載荷不斷加重。車輛所引起的動(dòng)荷載在斜拉橋整體響應(yīng)中所占比重越來越大,導(dǎo)致斜拉橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞,降低其強(qiáng)度和穩(wěn)定性,影響行車安全和乘員舒適性。因此,對斜拉橋進(jìn)行車-橋動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析,掌握其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是十分必要的。通過數(shù)值模擬方法計(jì)算斜拉橋的車-橋動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程

2、,可以確定斜拉橋的強(qiáng)度、剛度、行車安全性、乘員舒適性及其相關(guān)因素的影響,為斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。本文基于擬實(shí)建模技術(shù)及并行計(jì)算技術(shù),對車-橋動(dòng)態(tài)耦合系統(tǒng)及其耐撞性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。
　　本文的主要研究內(nèi)容包括:研究車-橋動(dòng)態(tài)耦合系統(tǒng)數(shù)值模擬的基本理論?？紤]到大跨度斜拉橋的幾何非線性和車-橋之間的動(dòng)力相互作用關(guān)系,從數(shù)值分析的理論角度出發(fā),研究了幾何非線性分析的基本理論以及動(dòng)態(tài)接觸的數(shù)值計(jì)算方法,為車-橋耦合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的求解

3、提供理論依據(jù)。在對幾何非線性有限元方程求解時(shí),采用更新拉格朗日格式中心差分算法;輪軌之間的相互作用通過基于罰函數(shù)的耦合方式加以實(shí)現(xiàn)。研究大跨度斜拉橋與輕軌車輛的全三維非線性精細(xì)有限元模型的建模方法。
　　基于擬實(shí)建模技術(shù),斜拉橋模型采用了板殼單元、實(shí)體單元、梁單元以及索單元等組合式單元模擬。輕軌車輛模型包含輪對、轉(zhuǎn)向架和車體,它們之間采用彈簧和阻尼連接。將車輪與鋼軌之間的相互作用看作是動(dòng)態(tài)接觸關(guān)系,通過建立輪軌三維動(dòng)力接觸模型將橋

4、梁與車輛耦合在一起。輕軌車輛內(nèi)建立兩個(gè)乘員假人模型,分別為坐姿和站姿,用于分析乘員舒適性。研究適用于車-橋動(dòng)態(tài)耦合系統(tǒng)的區(qū)域分解并行計(jì)算方法。斜拉橋的全三維非線性精細(xì)有限元模型單元數(shù)量巨大,普通的串行計(jì)算機(jī)難以滿足這種大規(guī)模數(shù)值計(jì)算要求,因此需要采用并行計(jì)算技術(shù)。現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)數(shù)均衡的分區(qū)策略,沒有考慮各子區(qū)域之間接觸特性可能的不同,從而影響并行計(jì)算效率。根據(jù)斜拉橋車-橋動(dòng)態(tài)耦合系統(tǒng)的特點(diǎn),結(jié)合上海超級(jí)計(jì)算中心曙光4000A計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)

5、,在遞歸對分區(qū)域分解算法的基礎(chǔ)上,提出基于接觸均衡的區(qū)域分解法,相對于遞歸對分區(qū)域分解法,該方法有著更高的加速比和并行效率。研究車-橋耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。考慮到大跨度斜拉橋的幾何非線性,首先確定大跨度斜拉橋的初始成橋狀態(tài),在斜拉橋成橋狀態(tài)的基礎(chǔ)上,數(shù)值模擬多種工況下車-橋耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。主要分析車速、雙線運(yùn)行和車輛緊急制動(dòng)對斜拉橋剛度、強(qiáng)度的影響,以及對行車安全、乘員舒適性的影響,為斜拉橋設(shè)計(jì)提供細(xì)致、詳盡的仿真計(jì)算結(jié)果。將斜拉橋精