一种大跨铁路悬索桥梁端转角影响行车性能的评价方法

1.一种大跨铁路悬索桥梁端转角影响行车性能的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立大跨铁路悬索桥的三维有限元模型，并耦合悬索桥梁端、伸缩装置及轨道，得到悬索桥梁端-伸缩装置-轨道耦合振动模型，组建悬索桥梁端-伸缩装置-轨道耦合振动模型的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵；S2：建立大跨铁路悬索桥所运营车辆的车辆模型，并组建车辆模型的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵；以梁端转角或轨道不平顺作为外激励，形成悬索桥梁端-伸缩装置-轨道-列车耦合振动分析系统；S3：根据悬索桥梁端-伸缩装置-轨道-列车耦合振动分析系统，初始化运营车辆的位置、悬索桥梁端-伸缩装置-轨道的位移，并确定时间步长；对运营车辆的运动动力学方程和悬索桥梁端-伸缩装置-轨道动力学方程使用数值积分法求解，直到满足收敛条件，输出运营车辆的动态响应指标；S4：计算不同梁端转角工况下运营车辆的动态响应指标，得到动态响应指标在不同车速下与梁端转角之间的映射关系，施加轨道不平顺样本作为激励源，计算不同车速下的梁端转角限值；根据悬索桥的设计荷载，计算悬索桥梁端转角幅值，评估悬索桥的梁端转角是否满足要求；所述步骤S4包括：S41：以梯度逐渐增大的梁端转角作为输入，分别计算不同梁端转角工况下悬索桥梁端-伸缩装置-轨道-列车耦合振动分析系统的响应，得到不同梁端转角工况下运营车辆的动态响应指标，以及得到动态响应指标在不同车速下与梁端转角之间的映射关系；S42：以设定长度的轨道不平顺样本作为激励源输入悬索桥梁端-伸缩装置-轨道-列车耦合振动分析系统中，得到运营车辆在激励源条件下的动态响应指标，结合运营车辆的动态响应指标评价要求扣除随机不平顺的影响，得到不同车速下的梁端转角限值；S43：基于悬索桥的三维有限元模型，计算悬索桥在设计荷载下的梁端转角幅值，对照梁端转角限值，评估悬索桥在设计荷载下的梁端转角是否满足要求；所述步骤S41包括：S411：将梁端转角幅值输入悬索桥梁端-伸缩装置-轨道-列车耦合振动分析系统中，确定使运营车辆的动态响应指标超过限制的梁端转角值范围；S412：在梁端转角值范围内按照均匀梯度取若干梁端转角梯度值，并计算不同梁端转角梯度值工况下的运营车辆的动态响应指标，绘制动态响应指标与梁端转角值之间的关系图，得到动态响应指标在不同车速下与梁端转角的映射关系；所述步骤S42包括：S421：以设定长度的轨道不平顺样本作为激励源输入悬索桥梁端-伸缩装置-轨道-列车耦合振动分析系统中，得到运营车辆在激励源条件下的动态响应指标；S422：对动态响应指标用正态概率图进行正态性检验，得到动态响应指标的数据的正态分布，输出正态分布的概率密度函数；S423：基于高斯核密度估计的非参数模型对动态响应指标进行概率密度拟合，正态分布的概率密度函数作为高斯核密度估计的核函数，并计算97.5%累计概率分布值；S424：根据运营车辆的动态响应指标评价要求，并基于97.5%累计概率分布值，得到扣除轨道不平顺激励的动态响应指标，将扣除轨道不平顺激励的动态响应指标输入动态响应指标在不同车速下与梁端转角的映射关系中，得到不同车速下的梁端转角限值。 2.根据权利要求1所述的大跨铁路悬索桥梁端转角影响行车性能的评价方法，其特征在于，所述步骤S1包括：S11：获取大跨铁路悬索桥的几何特性、材料特性和边界特性，将大跨铁路悬索桥的桥面板等效至主桁结构上，形成无桥面板结构的桁架结构，并建立大跨铁路悬索桥的三维有限元模型；S12：基于大跨铁路悬索桥的三维有限元模型，建立悬索桥梁端-伸缩装置-轨道耦合振动模型，并组建悬索桥梁端-伸缩装置-轨道耦合振动模型的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵。 3.根据权利要求2所述的大跨铁路悬索桥梁端转角影响行车性能的评价方法，其特征在于，所述步骤S11包括：S111：获取大跨铁路悬索桥的几何特性、材料特性和边界特性，建立大跨铁路悬索桥的悬索桥全桥模型；S112：模拟大跨铁路悬索桥的主桁结构和桥塔、吊杆和拉索结构、桥面板，采用节点共享或自由度耦合将主桁结构和桥塔、吊杆和拉索结构、桥面板整合为三维模型；S113：计算大跨铁路悬索桥的频率以及振型；S114：去掉三维模型中的桥面板单元，将桥面板单元离散为若干集中的质量点，依据质量点对应的面积进行分配，将桥面板质量分配给主桁架，并调整主桁架结构的刚度参数，使去掉桥面板单元的三维模型的频率和振型与步骤S113计算出的频率和振型一致；S115：输出建立的大跨铁路悬索桥的三维有限元模型。 4.根据权利要求3所述的大跨铁路悬索桥梁端转角影响行车性能的评价方法，其特征在于，所述步骤S12包括：S121：从大跨铁路悬索桥的三维有限元模型中提取近梁端的若干个节间，并用弹簧单元模拟节点截断处的约束、用单位荷载确定节点截断处弹簧的刚度，构造出梁端模型；并使梁端模型与三维有限元模型在同一位置具有相同的位移和曲率；所述节点截断处弹簧刚度的标定方法为：S1211：在截断处节点施加力或力矩；S1212：提取近梁端局部模型与三维有限元模型在同一位移或转角方向的响应值；S1213：调整节点截断处弹簧的刚度，使局部模型与三维有限元模型在截断位置的位移和曲率一致；S122：在局部模型的前后附加路基段，通过固定约束模拟路基的固定性；S123：构建由钢轨、轨枕、道砟构成的三层轨道模型；S124：基于三层轨道模型，在路基与桥梁之间建立梁端伸缩装置：S125：通过梁端模型、梁端伸缩装置和三层轨道模型组建形成悬索桥梁端-伸缩装置-轨道耦合振动模型，并组建出悬索桥梁端-伸缩装置-轨道耦合振动模型的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵；具体包括：S1251：在ANSYS软件的命令输入区输入模态求解的命令，再输入提取质量、刚度矩阵的命令流，导出TXT格式文件；S1252：利用MATLAB解析TXT格式文件，并将TXT格式文件中的内容转换成稀疏矩阵，从而形成质量、刚度矩阵；S1253：利用质量、刚度矩阵构造阻尼矩阵 ； ；其中， 、 分别为梁端-伸缩装置-轨道系统的整体质量、刚度矩阵， 、 分别为质量、刚度阻尼常数；S1254：得到悬索桥梁端-伸缩装置-轨道耦合振动模型的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵。 5.根据权利要求1所述的大跨铁路悬索桥梁端转角影响行车性能的评价方法，其特征在于，所述步骤S2包括：S21：获取大跨铁路悬索桥所运营车辆的几何特征和力学特征，根据几何特征和力学特征建立车辆模型，并组建车辆模型的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵；S22：基于悬索桥梁端-伸缩装置-轨道耦合振动模型的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，以及车辆模型的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，以梁端转角或轨道不平顺作为外激励，形成悬索桥梁端-伸缩装置-轨道-列车耦合振动分析系统。 6.根据权利要求5所述的大跨铁路悬索桥梁端转角影响行车性能的评价方法，其特征在于，所述步骤S22包括：S221：基于车辆模型的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，建立运营车辆的运动动力学方程： ；其中，v为车辆模型中列车模型编号， 、 、 分别为列车模型的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵， 为列车模型的荷载向量， 、 、 分别为列车模型的加速度、速度和位移向量；S222：基于悬索桥梁端-伸缩装置-轨道耦合振动模型，建立悬索桥梁端-伸缩装置-轨道的动力学方程： ；其中， 、 、 、 分别为悬索桥梁端-伸缩装置-轨道耦合的整体质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵和节点荷载向量， b 为悬索桥梁端-伸缩装置-轨道系统， 、 、 分别为悬索桥梁端-伸缩装置-轨道耦合的加速度、速度和位移向量；S223：将基于悬索桥梁端-伸缩装置-轨道耦合振动模型与车辆模型通过轮轨关系联系起来，列车模型的荷载向量 与节点荷载向量 形成轮轨接触关系，建立悬索桥梁端-伸缩装置-轨道-车辆耦合的动力学方程； ；悬索桥梁端-伸缩装置-轨道-车辆耦合的动力学方程中，列车模型的荷载向量 包括：轮对横向方向的荷载； ；其中， 为横向蠕滑力， 为蠕滑系数， 、 分别为轮对横向的速度和轨道横向的速度， w 为轮对标签， r 为轨道标签， k 为轮对编号；轮轨间沉浮和扭转方向的相互作用力：轮轨间沉浮和扭转方向相互作用力由轮轨间相应方向相对运动状态确定，运营车辆与悬索桥梁端-伸缩装置-轨道之间的相互作用力包括一系悬挂力、轮对产生的惯性力以及轮对的重力；定义轮对所在的第 个转向架 方向上的位移为 、 方向上的位移为 、 方向上的位移为 ，对于任意一个轮对 施加在 方向的作用力 及 方向的作用力 为： ； ；其中，作用力 表示悬索桥梁端-伸缩装置-轨道在扭转方向、沉浮方向的受力， 为轮对的重力， 、 分别为一系弹簧的刚度和阻尼， 、 分别为运营车辆一系悬挂横向跨距的一半、轴距的一半， 、 分别为轮对转动惯量和质量， 、 分别为轮对轨道处 方向、 方向的位移， 、 分别为轮对轨道处 方向、 方向的速度， 、 分别为轮对轨道处 方向、 方向的加速度， 、 、 分别为轮对所在第 个转向架 方向、 方向、 方向的速度， 为符号函数，运营车辆的转向架前轮对 取1、转向架后轮对 取-1， z 方向为沉浮方向， 方向为轮对侧滚方向， 方向为轮对点头方向， t 为转向架， j 为转向架编号，定义前转向架 j =1、后转向架 j =2；S224：通过悬索桥梁端-伸缩装置-轨道-车辆耦合的动力学方程建立悬索桥梁端-伸缩装置-轨道-列车耦合振动模型，以梁端转角或轨道不平顺作为外激励，形成悬索桥梁端-伸缩装置-轨道-列车耦合振动分析系统。 7.根据权利要求1所述的大跨铁路悬索桥梁端转角影响行车性能的评价方法，其特征在于，所述步骤S3包括：S31：根据悬索桥梁端-伸缩装置-轨道-列车耦合振动分析系统，初始化运营车辆的位置、悬索桥梁端-伸缩装置-轨道的位移，并确定时间步长；S32：以梁端转角或轨道不平顺作为外激励，计算所有时间步下运营车辆轮对的轮轨力时程，并用Newmark-β法求解运营车辆的运动动力学方程，得到运营车辆的位移、速度和加速度，输出运营车辆的动态响应指标；具体包括：S321：加载轨道不平顺样本或梁端转角的时程曲线，计算轨道不平顺样本或梁端转角激励关于时间的一阶导数和二阶导数；S322：计算运营车辆每个轮对在当前时间步长所处的位置，进而计算轨道不平顺或梁端转角引起的轮轨力时程；S323：用Newmark-β法求解运营车辆的运动动力学方程，得到运营车辆在梁端转角或轨道不平顺作为外激励条件下的位移、速度和加速度，输出运营车辆的动态响应指标；S33：将轮轨力时程施加在悬索桥梁端-伸缩装置-轨道上，求解悬索桥梁端-伸缩装置-轨道动力学方程，得到悬索桥梁端-伸缩装置-轨道的位移、速度和加速度；具体包括：S331：计算每个时间步内运营车辆所有轮对在轨道单元上的位置；S332：基于轨道单元形函数矩阵将轮轨力转换为轨道单元节点的荷载；S333：排列悬索桥梁端-伸缩装置-轨道的自由度顺序，将轨道单元节点的荷载按照对应的自由度进行加载，形成节点荷载向量 ；S334：用Newmark-β法求解悬索桥梁端-伸缩装置-轨道动力学方程，得到悬索桥梁端-伸缩装置-轨道的位移、速度和加速度；S34：将悬索桥梁端-伸缩装置-轨道的位移、速度和加速度与梁端转角或轨道不平顺进行叠加作为外激励，执行步骤S32，计算运营车辆轮对新的轮轨力时程；S35：计算步骤S34计算出的新的轮轨力时程与步骤S32计算出的轮轨力时程之间的轮轨力时程误差；若轮轨力时程误差小于或等于轮轨力时程误差阈值，则判定满足收敛条件，输出运营车辆的动态响应指标；否则，判定不满足收敛条件，返回步骤S33，重新施加轮轨力时程在悬索桥梁端-伸缩装置-轨道上，直到满足收敛条件，输出运营车辆的动态响应指标。