一、 前沿

目前車輛—軌道耦合模型大多用于行車動力性能分析，而在振動傳遞特性分析中，大多只分別考慮車輛振動或軌道結構振動，沒有將兩者有效結合起來，或是在車輛與軌道結合的車輛-軌道耦合模型中將車輛對輪軌振動影響較大的結構考慮為剛體，以至無法確定輪軌各頻率下的主要振動特性，輪軌振動原因不明確。針對此問題，建立地鐵車輛-軌道耦合系統模型，將車輛與軌道結構兩個子系統通過Hertz接觸彈簧鏈接，主要部件按實際的彈性體建模，并考慮車輛，軌道結構間的相互影響。

二、 有限元模型

2.1 車輛模型

參數	地鐵B型車
車體質量	28000
轉向架質量	2634
車輛定距	12.6
轉向架軸距
一系懸掛橫向距	1.93
二系懸掛橫向距	1.85
車輪直徑	0.84
車輪寬度
車軸長度	3.8
車體長度	19
車體寬度	2.8
車體高度	3.8
一系懸掛縱向剛度/軸箱（AW2)	8.92
一系懸掛橫向剛度/軸箱（AW2)	6.76
一系懸掛垂向剛度/軸箱（AW2)	1.4
二系懸掛橫向剛度（重車）	0.21
二系懸掛垂向剛度（重車）	0.48
二系懸掛橫向阻尼	50
二系懸掛垂向阻尼	60
接觸剛度	2

                                               

車輛模型

在hypermesh中建立簡化車輛模型如上圖所示，模型主要由實體單元和殼單元組成。

2.2 軌道模型

本次模擬的軌道模型主要包括鋼軌，扣件，軌枕，墊層，鋼軌，路基，材料參數如下表所示。

梯形軌枕
鋼軌	質量	60
	密度	7830
	彈性模量	2.10E+11
	泊松比	0.3
扣件	垂向剛度	45
	垂向阻尼	10
	扣件間距	0.625
軌枕	長	5.9
	寬	0.58
	高	0.185
	密度	2500
	彈性模量	3.60E+10
	泊松比	0.176
墊層	中間剛度	25
	中間阻尼	10
	中間間距	1.2
	兩端剛度	12.5
	兩端阻尼	10
	兩端間距	1.15
鋼管	長度	1.85
	截面	0.125*0.075
	密度	7830
	彈性模量	2.10E+11
	泊松比	0.3
路基	密度	7400
	彈性模量	2.06E+11
	泊松比	0.22

軌道模型

軌道局部模型

在hypermesh中建立軌道有限元模型，其中地下地基采用彈簧單元建立，底座板采用殼單元，采用彈簧單元模擬CA砂漿，CA砂漿上面的軌道板采用殼單元，軌枕之間用黃顏色的梁單元來模擬鏈接鋼管，支撐鋼軌的扣件采用彈簧單元，最上面的鋼軌采用梁單元。

2.3 車輛軌道有限元模型

將車輛和軌道模型進行裝配如下圖所示，單元總數為134089，實體單元數為13967個，殼單元為52640個，梁單元和彈簧單元為67482個，節點數為125610個

車輛-軌道有限元模型

2.4 其他建模關鍵字說明

采用LOAD_BODY_Y對車體施加Y向的重力加速度，采用*boundary_prescribed_motion_rigid對車輛施加x向的83.3m/s的速度，速度時間通過*DEFINE_CURVE來進行定義，通過*BOUNDARY_SPC_SET定義地基底部約束，設定求解時間為4.5s，設置為默認時間步長，通過*DAMPING_GLABAL設置全局阻尼為常數，通過*DAMPING_PART_STIFFNESS定義彈簧單元的瑞雷阻尼系數，通過*DATABASE_FOMAT,*DATABASE_NODAL_FORCE_GROUP,*DATABASE_BINARY_D3PLOT,*DATABASE_HISTORY_BEAM,*DATABASE_EXTENT_BINARY并聯合*SET命令對要輸出量進行相應設置。由于hypermesh不支持輪軌接觸關鍵字，利用ultraedit編輯關鍵字，添加*RAIL_TRAIN關鍵字并編輯關鍵字內容，建立車輛輪子和軌道鋼軌之間的模型，一個軌跡需要定義兩個軌道，并且都是由梁單元組成，所以在軌道旁邊建立了兩個平行的軌道。

三、 結果分析

利用LSPREPOST進行結果查看，通過前面的輸出可以查看輪軌接觸點的受力曲線如下圖所示：

                                               

輪軌接觸點受力時程曲線

通過提取車輛上一點進行進行豎直方向的速度分析，剛開始在重力作用下下墜并與鋼軌建立穩定的接觸，后面在彈性作用下回彈，震蕩過后趨于平穩。

最后展示一下做出的結果動畫圖