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姓名 施柔依(Jou-Yi Shih) 查詢紙本館藏 畢業系所 土木工程學系 論文名稱 向量式有限元運用於車軌橋互制數值模擬分析
(Vehicle-track-bridge interaction Analysis by the Vector FormIntrinsic Finite Element Method)相關論文 檔案 [Endnote RIS 格式]
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摘要(中) 本研究旨在發展一套能模擬車軌橋互制動力行為的程式，藉此程式可以分析車輛系統、軌道系統、橋梁系統的動力反應。本研究一共建立了六種車輛模型，由簡單到複雜，鋼軌以及橋梁則都是用向量式有限元(Vector Form Intrinsic Finite Element，VFIFE, V-5)中的三維剛架元元素模擬，因此本程式可在三維空間建立模型。並利用合理之等效勁度模擬有碴軌道，除此之外更考慮了輪軌介面不平順的效應進去。本研究將車軌橋系統分成三大部分討論，第一個部分為車輛系統，第二個部分為軌道系統，第三部份為橋梁系統，三大部分中的鋼軌以及橋梁系統皆利用向量式有限元計算，而軌道系統中包含扣件以及基礎等本研究皆會利用彈簧阻尼模擬之，而上部的車輛系統則藉由矩陣計算，由於三大系統為獨立求解，因此計算簡單，並且藉由與文獻比對，證實本程式能有效模擬車軌橋互制的動力反應，由車橋互制中的移動荷載移動車輛，到車軌互制的移動荷載移動車輛，到最後的車軌橋互制，由數值算例分析結果顯示，本車軌橋互制程式能有效模擬車軌橋互制之非線性動力行為，而且方法相當簡單不需任何龐大矩陣求解與迭代方法。
摘要(英) This research develops a two-dimensional computation code to investigate the vehicle-track-bridge interaction behaviors. The Vector Form Intrinsic Finite Element (VFIFE) method that is capable to do the nonlinear, large deformation and dynamic analysis of solids and structures is adopted to model the behaviors of the railway structure. The particle dynamics algorithm within the VFIFE method does not require solving any vehicle-track interaction matrix. Hence, it is capable to versatile of nonlinear dynamic problems like the motion behaviors of carriages derailment due to the large deformation or failure of the train and the vehicle-track-bridge system under extreme wind, fluid and earthquake excitations. This research divided the analysis of vehicle-track-bridge system into three parts, firstly is the modeling of the six types of vehicle systems, secondly is the theorems and modeling of the rail and bridge system, and thirdly is the algorithms of vehicle-track- bridge interaction analysis. In the proposed analysis method, the responses of train, rail and bridge systems are solved independently at each time step. The interaction among these three systems is tacking into account by using some outputs in the previous time step as the inputs of the current time step. Small time step size is required to pay for this simplification of interaction analysis. Numerical examples demonstrate that the analysis method proposed in this study can effectively and accurately analyze the nonlinear, dynamic behaviors of the vehicle-track-bridge system.
關鍵字(中) ★ 向量式有限元
★ 車軌互制
★ 移動荷載
★ 移動車輛
★ 車軌橋互制
★ 車橋互制關鍵字(英) ★ moving load
★ rail contact force
★ vehicle-rail-bridge interaction
★ moving vehicle
★ Vector Form Intrinsic Finite Element method論文目次 摘要 ............ ................................................................................................................. i
誌謝 ............................................................................................................................ iii
目錄 ............................................................................................................................ iv
表目錄 ........................................................................................................................ vi
圖目錄 ....................................................................................................................... vii
第一章 前言 ............................................................................................................. 1
1.1 研究背景 .............................................................................................................. 1
1.2 研究目的 .............................................................................................................. 3
1.3 傳統分析模式 ...................................................................................................... 4
1.4 文獻回顧 .............................................................................................................. 5
1.5 研究方法 ............................................................................................................ 7
第二章 車輛系統分析模型 ..................................................................................... 8
2.1 車輛系統介紹 ................................................................................................... .11
2.2.1 車輛系統結構之介紹 ..................................................................................... 11
2.2.2 各國之車輛介紹 ............................................................................................. 14
2.2 車輛模型 .......................................................................................................... ..18
2.2.1 單層車輛模型 ....................................................................................... ……..18
2.2.2 雙層車輛模型 ....................................................................................... ……..19
2.2.3 考慮車廂轉動效應之車輛模型 ..................................................................... 23
2.2.4 客車模型 ............................................................................................... ……..25
2.3.5 貨車模型 ............................................................................................... ……..29
2.3.6 機動車模型 ........................................................................................... ……..32
第三章 橋梁軌道系統分析模型 ............................................................................36
3.1 軌道系統 .......................................................................................................... ..36
3.1.1 軌道系統之介紹 ................................................................................... ……..36
3.1.2 軌道模型 ............................................................................................... ……..39
3.2 向量式有限元與橋梁系統軌道系統之結合(三維剛架元) ........................... ...39
3.2.1 ㄧ維剛架元空間運動基本理論 ........................................................... ……..42
3.2.2 空間剛架元之移動基礎架構 ......................................................................... 43
3.2.3 空間剛架元節點變形位移與變形座標 ............................................... ……..45
3.2.4 空間剛架元節點等效內力 ........................................................................... 52
3.2.5 空間剛架元之質點運動方程式之差分式 ........................................... ……..57
第四章 車軌橋互制理論 ........................................................................................62
第五章 數值算例 ................................................................................................... 68
5.1 移動荷載算例 .................................................................................................. ..68
5.1.1 移動荷載作用於單跨簡支梁 ......................................................................... 68
5.1.2 移動荷載作用於多跨連續梁 ......................................................................... 69
5.1.3 三序列荷載作用於單跨簡支梁 ........................................................... ……..70
5.1.4 十序列荷載作用於單跨簡支梁 ........................................................ ……….73
5.1.5 三十序列荷載作用於多跨連續梁 ....................................................... …......74
5.1.6 兩相對移動荷載作用於多垮連續梁 ................................................... ….….75
5.2 移動車輛 ........................................................................................................... 76
5.2.1 移動單層車輛模型(不考慮車輛阻尼)作用於單跨簡支梁 ......................... 76
5.2.2 移動單層車輛模型(考慮車輛阻尼)作用於簡支梁 ............................ ….....78
5.2.3 日本高速列車 SKS-700 作用於簡支梁 ..................................................... 81
5.2.4 考慮車廂轉動效應之車輛模型作用於簡支梁 ................................... …….83
5.3 移動荷載作用於有渣軌道 .............................................................................. .86
5.3.1 單一移動荷載作用於彈性基礎簡支梁 ....................................................... .86
5.3.2 單一移動荷載作用於 Winkler 梁上 .......................................................... .87
5.4 車軌橋互制算例 .............................................................................................. .88
5.4.1 移動單層車輛系統作用於有道碴之簡支橋上(改變軌下勁度) ........ ……..88
5.4.2 移動單層車輛系統作用於有道碴之簡支橋上(改變車速) .......................... 94
5.4.3 移動單層車輛系統作用於有道碴之簡支橋上(改變車輛勁度) ........ ……..95
5.4.4 移動單層車輛系統作用於有道碴之簡支橋上(加入車輛阻尼) ........ ……..96
5.4.5 移動單層車輛系統作用於不同橋梁結構之反應 ............................... …….97
5.4.6 不考慮軌道系統之比較 ..................................................................... …….101
5.4.7 移動單層車輛模型列車作用於連續梁上 ......................................... …….102
5.4.8 移動考慮轉動效應之車輛模型列車作用於連續梁上 ..................... …….103
5.4.9 客車行經三跨連續梁橋 ..................................................................... …….105
5.4.10 客車列車(5 車廂)行經桁架橋(且加入軌道不帄順函數) ............... ……108
第六章 結論與建議 ........................................................................................... 111
6.1 結論 ................................................................................................................ 111
6.2 建議 ................................................................................................................ 112
附錄 A-1 客車之運動方程推導 ......................................................................... 117
附錄 A-2 貨車之運動方程推導 ........................................................................ 130
附錄 A-3 機動車之運動方程推導 .................................................................... 138
附錄 B 程式流程圖 ............................................................................................ 156
附錄 C 三維輪軌接觸理論推導 ........................................................................ 159
參考文獻 .............................................................................................................. 174
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