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技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于铁道工程应用与设计
，尤其涉及一种预测地铁车辆引起的隧道与周围土体竖向振动的时频混合方法及系统。
技术介绍
地铁和地下交通系统常见于大城市地区，特别是拥挤的城市中心。自1863年伦敦第一条地铁线路开通以来，全世界已有200多个城市采用这种交通方式。近年来，亚洲国家对全球城市轨道交通的快速发展贡献最大，主要是通过强劲的地铁发展。根据中国地铁协会的数据，截至2017年底，中国大陆34个城市拥有地铁系统，总计3884公里，预计到2020年将达到6000公里。地铁系统提供了最大容量和最有效的城市交通，但是在隧道中运行的列车会产生地面振动，并将其传输到附近的建筑物中。地面振动是公交系统线路和维修设施附近的一个严重问题，可以导致建筑物摇晃，并听到隆隆声。这些可感知的振动通常在2至80赫兹范围内，或通过地面传输至建筑物引起低频噪声辐射，通常在30至250赫兹范围内。尽管这种振动通常不会达到危及结构安全的水平，但人们长期持续地暴露在振动中，如今被认为是公共健康问题。地铁车辆诱发振动的机理一般包括两部分：一是振动的产生，即车轮荷载对钢轨的作用所引起的激励，加上由于钢轨表面不平顺而引起的车轮对钢轨的冲击；二是振动的传播，即振动波通过轨道向隧道及周围土体传播。早期，人们在预测地铁引起的振动时并没有考虑车辆与轨道之间的相互作用，而是将车辆荷载简化为移动恒力或者简谐力施加在土体上。显然，这种做法忽略了车－轨之间的动力相互作用。事实上，车辆荷载中的动力成分对隧道周围土体的振动影响十分显著。之后，人们通过假设轨道结构的几何特征和材料特性具有沿横截面无限延伸的性质，研究了1/8、1/4、1/2及整体车辆模型作用下地铁引起的隧道及周围土体竖向振动。这些研究是基于频域的柔度矩阵法开展的，可以考虑车辆-轨道-隧道-土体之间的动力相互作用。然而，这些方法无法考虑轨道结构中的离散支撑特性，特别是对于钢弹簧浮置板轨道这种具有显著不连续特征的结构。Degrande采用Floquet变换建立了具有周期性离散支撑的轨道-隧道-土体模型，并同样采用柔度矩阵法实现了与车辆的耦合振动。然而，该方法是以元胞为单元进行周期性变换的，对于钢轨接头、道岔等情况的模拟依然存在困难。以上都是基于频域的分析方法。事实上，如果采用时域的分析方法，对于车-轨相互作用的模拟将会变得灵活很多。通过建立轨道结构有限元模型，可以对轨枕和钢弹簧离散支撑、道岔等情况进行模拟，而且可以考虑车-轨系统的非线性。另一方面，目前针对时域车-轨耦合振动的求解，大都采用分离迭代法。事实上，由于轮轨接触刚度很大，采用分离迭代法求解所需的时间步长非常小(通常小于10-4)，导致计算量很大。而采用强耦合方法求解则可以避免时间积分步长的限制。对于振动波传播模型，目前也发展了多种类型，包括解析模型、半解析模型和数值模型。解析/半解析模型虽然计算效率较高，但其适用性和准确性受到许多简化假设的限制。数值模型包括有限元模型(FEM)、边界元模型(BEM)，混合有限元-边界元模型(FEM-BEM)等是目前常用的计算模型。数值模型同样包括时域模型和频域模型。时域模型虽然具有很强的模拟能力，但它需要增大模型尺寸以减小边界处振动波的反射，从而导致计算效率很低。事实上，车辆荷载作用下土体的应变很小，只有10-5量级甚至更小，因此可以将土体考虑为线弹性体。而且大部分情况下，可以将隧道-土体系统的几何特性和材料特征考虑为具有沿轨道延伸方向保持不变。在这种情况下，采用杨永斌院士提出来的频域分析方法—2.5维(2.5D)分析方法具有很高的计算效率。2.5D方法只需要模拟模型的横截面，并通过波数的离散来实现振动波在空间域的传播。在2.5D方法的框架下，发展出了多种振动波传播模型的模拟方法，包括有限元-无限元法(FEM-IEM)、FEM-BEM、有限元-最佳匹配层法(FEM-PML)、有限元-基本解法(FEM-MFS)等。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供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，以解决现有车辆-轨道-隧道-土体耦合振动计算中，频域计算难以考虑轨道局部缺陷，而时域计算又效率低下等问题。本专利技术是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种车辆引起隧道与土体竖向振动的时频混合预测方法，包括：步骤1：建立隧道-土体2.5DFEM-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2.5DFEM-PML模型的动力方程；步骤4：求解所述步骤3中隧道-土体2.5DFEM-PML模型的动力方程，获得频域-波数域内隧道-土体2.5DFEM-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2.5DFEM-PML模型的动力响应，计算时域-空间域内隧道-土体2.5DFEM-PML模型的振动响应；步骤6：根据所述步骤5中隧道-土体2.5DFEM-PML模型的振动响应计算隧道-土体对应的竖向振级。本专利技术竖向振动的时频混合预测方法，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2.5DFEM-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。进一步地，所述步骤1中，在隧道-土体2.5DFEM-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。通过增加沿轨道延伸方向的自由度来考虑振动波沿轨道延伸方向的传播，边界处的最佳匹配层避免了振动波的反射。进一步地，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。进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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2.5DFEM-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2.5DFEM-PML模型的动力方程；
步骤4：求解所述步骤3中隧道-土体2.5DFEM-PML模型的动力方程，获得频域-波数域内隧道-土体2.5DFEM-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2.5DFEM-PML模型的动力响应，计算时域-空间域内隧道-土体2.5DFEM-PML模型的振动响应；
步骤6：根据所述步骤5中隧道-土体2.5DFEM-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2.5DFEM-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2.5DFEM-PML模型的基础上增加轨道模型，得到轨道-隧道-土体2.5DFEM-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2.5DFEM-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2.5DFEM-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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王力东，韩艳，朱志辉，胡朋，李春光，张迅，刘叶，
申请(专利权)人：长沙理工大学，中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43