基于格子波尔兹曼法的车-线-桥耦合动力分析及应用

高速铁路的安全运营是铁路部门普遍关心的问题。随着大跨径混凝土桥梁的大量修建和无碴轨道的推广，列车-轨道-桥梁动力耦合问题表现出新的特点和难点，高速运行条件下桥梁的使用性能及养护决策成为新的研究方向。本项目将在目前国内外关于该问题的研究与应用基础上，利用格子波尔兹曼演化模型模拟车辆在轨道上高速运行问题，探索一种全新的基于格子波尔兹曼法、无网格法和有限元耦合的大系统建模理论、框架和方法，全面考虑车辆与轨道、轨道与桥梁的接触关系，构建精细化车-线-桥耦合振动分析模型和计算平台，并用现场测试数据验证数值模拟结果，研究车-线-桥耦合动力学行为以及车辆、轨道、桥梁相互作用机理，从而解决大跨度铁路桥梁的精细化动力设计难题以及车辆与轨道的接触算法问题，能为此类桥梁的设计、加固、健康监测和养护提供决策依据与技术支持，本研究的立项选题具有鲜明的工程应用背景以及理论创新性，具有很好的工程应用价值。

项目围绕高速铁路车辆-轨道-桥梁耦合系统动力学特性核心问题，采用多学科交叉研究方法，基于大系统建模理论和方法，构建了精细化的车-线-桥耦合分析模型和计算平台，对影响大跨径预应力混凝土高速铁路桥梁长期性能的徐变变形及影响列车走行性的轨道随机不平顺等因素进行了较为深入研究，系统分析了高速铁路桥梁的动力行为和轮轨接触机理。针对轮轨接触的复杂行为，项目采用格子Boltzmann方法对轨道进行了动边界模拟，采用动态接触算法真实考虑轮轨型面几何参数研究了轴重、摩擦系数、横向偏移的变化对轮轨接触性能的影响，同时研究了不同踏面形式及轮径与CHN75 钢轨的匹配性能。针对无碴轨道与桥梁接触问题，采用无网格法与有限元耦合的新型数值方法进行了无碴轨道CAM层劣化行为研究，同时研究了无网格法与有限元法的耦合方法，拓展了无网格法在桥梁结构分析中的应用。在此基础上，以赫兹弹簧单元考虑轮轨接触，以弹簧-阻尼单元考虑桥轨接触提出了一类整合了车辆、轨道和桥梁的耦合单元（2D和3D），研究了车-线-桥耦合组装和求解方法，并以该类单元为核心编制了车-线-桥耦合动力分析程序，并对程序和耦合单元进行了验证。项目以该程序为工具，进行了车-线-桥耦合单元组合长度影响分析，探讨了组合单元的精度和效率及其单元长度的合适取值范围；分析了轨道脉冲型不平顺对耦合系统的影响，揭示出轮轨接触力对列车安全运行有非常重要的影响，并表明该方法能精确模拟车轮瞬时脱离现象。提出了根据波长区间分析随机不平顺及其影响的思路和方法，讨论了两个波长区间下所提方法的准确性，并结合我国现有铁路桥梁现状精细分析了各波长区间不平顺的具体影响，得到了高速铁路养护和维修中应重点关注5m以下短波长范围不平顺的重要结论，指出了有必要对各种波长不平顺进行控制以提高乘坐舒适度。最后，研究了桥梁工后变形对耦合系统动力响应的影响，进行了多跨简支梁桥徐变变形对车-线-桥耦合系统的影响分析，研究了随机不平顺和徐变变形组合影响及其控制措施分析，研究了多跨简支梁桥桥墩基础沉降对车-线-桥耦合系统动力响应的影响。