高速铁路轨道动力学程序设计

本书是《高速铁路轨道动力学——模型、算法与应用》的姊妹篇，重点论述若干典型的高速铁路车辆-轨道耦合系统动力学模型与程序设计，包括轨道不平顺功率谱及数值模拟、轨道结构动力分析的傅里叶变换法与程序、轨道单元模型与轨道结构动力有限元方程、车辆垂向振动模型及动力学方程、车辆-轨道非线性耦合系统动力分析的交叉迭代算法与程序、列车-轨道-桥梁耦合系统纵向/垂向动力有限元模型与程序、动轮单元-轨道-桥梁耦合系统动力有限元模型与程序、列车-轨道耦合系统动力有限元模型与程序、车辆-轨道耦合系统动力学模型中的几个问题，基于谱单元法的轨道结构中高频振动分析及程序，以及车辆-轨道-大地耦合系统振动敏感频率分布规律。本书可供交通、土木、道路与铁道工程等相关专业的本科生、研究生、教师和工程技术人员参考使用。

“高速铁路轨道工程丛书”序
前言
第1章轨道随机不平顺及数值模拟1
1.1轨道随机不平顺特征1
1.2轨道结构随机不平顺功率谱2
1.2.1美国轨道不平顺功率谱3
1.2.2德国高速铁路轨道不平顺功率谱4
1.2.3日本轨道不平顺Sato谱5
1.2.4中国轨道不平顺功率谱5
1.2.5合—武客运专线轨道不平顺谱7
1.3轨道结构随机不平顺的数值模拟11
1.4三角级数法12
1.4.1三角级数法112
1.4.2三角级数法212
1.4.3三角级数法313
1.4.4三角级数法413
1.5基于轨道不平顺谱构建轨道随机不平顺样本程序13
1.5.1程序简介13
1.5.2程序模块14
1.6轨道结构随机不平顺样本14
1.7轨道局部不平顺16
参考文献17
第2章轨道结构动力分析的傅里叶变换法与程序18
2.1轨道结构连续弹性单层梁模型18
2.1.1傅里叶变换18
2.1.2快速离散傅里叶逆变换20
2.1.3Matlab快速离散傅里叶逆变换函数21
2.2轨道结构连续弹性双层梁模型22
2.3有砟轨道结构连续弹性三层梁模型23
2.4基于傅里叶变换法的有砟轨道结构振动分析程序26
2.5有砟轨道结构振动分析26
2.6无砟轨道结构连续弹性三层梁模型31
2.6.1轨道随机不平顺的数值模拟32
2.6.2求解无砟轨道结构连续弹性三层梁模型的傅里叶变换法32
2.7无砟轨道结构振动分析33
参考文献38
第3章轨道单元模型与轨道结构动力有限元方程39
3.1动力有限元概述39
3.2二维有限元梁单元模型42
3.2.1二维梁单元位移模式42
3.2.2二维梁单元特性矩阵43
3.3有砟轨道单元模型及动力有限元方程46
3.3.1基本假设46
3.3.2有砟轨道结构广义梁单元模型47
3.4有砟轨道单元模型51
3.5板式轨道单元模型53
3.5.1基本假设53
3.5.2板式轨道单元模型54
3.6考虑轨道板接缝的板式轨道单元模型60
3.7板式轨道-桥梁单元模型61
3.7.1基本假设61
3.7.2板式轨道-桥梁单元模型61
3.8考虑梁端接缝的板式轨道-桥梁单元模型64
3.9移动轴荷载作用下轨道动力学模型65
参考文献66
第4章车辆垂向振动模型及动力学方程68
4.1单轮附有一系悬挂的车辆模型68
4.2单轮附有二系悬挂的车辆模型70
4.3半车附有二系悬挂的车辆模型71
4.4整车附有二系悬挂的车辆模型73
参考文献75
第5章车辆-轨道非线性耦合系统动力分析的交叉迭代算法与程序77
5.1车辆-轨道非线性耦合系统动力分析的交叉迭代算法77
5.2车辆-轨道非线性耦合系统交叉迭代法程序设计82
5.2.1模型简介82
5.2.2程序模块83
5.3车辆-轨道非线性耦合系统动力分析84
5.4车辆-轨道-桥梁非线性耦合系统动力分析90
5.5结论101
参考文献102
第6章列车-轨道-桥梁耦合系统纵向/垂向动力有限元模型与程序103
6.1考虑纵向/垂向振动的车辆模型103
6.1.1车辆单元的势能104
6.1.2车辆单元的动能105
6.1.3车辆单元的耗散能105
6.1.4车辆单元的动力学方程106
6.2考虑纵向/垂向振动的无砟轨道-桥梁单元模型107
6.2.1基本假设107
6.2.2考虑纵向/垂向振动的无砟轨道-桥梁结构单元模型107
6.2.3单元质量矩阵108
6.2.4单元刚度矩阵110
6.2.5单元阻尼矩阵113
6.2.6单元结点荷载向量113
6.2.7考虑纵向/垂向振动的无砟轨道-桥梁结构动力有限元方程114
6.3列车-轨道-桥梁耦合系统纵向/垂向动力有限元方程交叉迭代算法114
6.4列车-轨道-桥梁耦合系统纵向/垂向动力有限元程序设计115
6.4.1模型简介115
6.4.2程序模块116
6.5列车-无砟轨道-桥梁耦合系统纵向/垂向振动分析116
参考文献124
第7章动轮单元-轨道-桥梁耦合系统动力有限元模型与程序125
7.1动轮单元模型125
7.1.1动轮单元的动能126
7.1.2动轮单元的势能126
7.1.3动轮单元动力学方程127
7.2考虑一系悬挂的动轮单元模型127
7.3考虑二系悬挂的动轮单元模型129
7.4单轮过桥动力分析模型及算法131
7.5动轮单元-轨道-桥梁耦合系统动力有限元程序设计133
7.5.1模型简介133
7.5.2程序模块134
7.6列车-轨道-桥梁耦合系统动力有限元分析134
参考文献141
第8章列车-轨道耦合系统动力有限元模型与程序142
8.1车辆单元模型142
8.1.1车辆单元的势能143
8.1.2车辆单元的动能145
8.1.3车辆单元的耗散能146
8.2车辆-轨道耦合系统动力有限元方程及算法146
8.2.1车辆-轨道耦合系统动力有限元方程146
8.2.2求解车辆-轨道耦合系统动力有限元方程算法147
8.3车辆-轨道耦合系统动力有限元程序设计148
8.3.1模型简介148
8.3.2程序模块149
8.4列车-轨道耦合系统动力有限元分析150
参考文献155
第9章车辆-轨道耦合系统动力学模型中的几个问题156
9.1轨道结构层状梁模型的适应性156
9.1.1轨道结构层状梁模型与三维块体单元模型对比156
9.1.2轨道结构层状梁模型与轨道结构半无限空间模型对比159
9.2列车-轨道耦合系统4种模型和算法对比分析161
9.3列车-轨道耦合系统单节车模型与多节车模型对比分析176
9.4列车-轨道-桥梁耦合系统单节车模型与多节车模型对比分析183
9.5结论191
参考文献192
第10章基于谱单元法的轨道结构中高频振动分析及程序193
10.1引言193
10.2轨道结构单层梁模型194
10.2.1轨道结构单层梁模型谱单元刚度矩阵194
10.2.2由钢轨扣件引起的轨道结构谱单元刚度矩阵198
10.2.3二维梁截断谱单元刚度矩阵199
10.2.4整体结构的谱刚度矩阵200
10.3无砟轨道结构三层梁模型谱单元刚度矩阵200
10.4基于谱单元法的轨道结构中高频振动分析程序205
10.5无砟轨道结构中高频振动分析205
10.6无砟轨道结构中高频振动参数分析211
10.6.1轨下垫板和扣件刚度的影响211
10.6.2CA砂浆刚度的影响214
10.6.3路基刚度的影响217
10.6.4结论219
参考文献220
第11章车辆-轨道-大地耦合系统振动敏感频率221
11.1高速列车作用下轨道不平顺对轨道结构振动影响分析221
11.2轨道不平顺各工况对轨道结构各部件的动力影响分析228
11.3高速列车作用下轨道不平顺对车辆振动影响分析232
11.4无砟轨道结构位移和加速度导纳分析239
11.5高速列车诱发大地振动现场测试240
11.6车辆-轨道-大地耦合系统各部件振动敏感频率243
参考文献244
附录1基于轨道不平顺谱构建轨道随机不平顺样本程序Track_Sample246
附录2基于傅里叶变换法的有砟轨道结构振动程序BTV_FT252
附录3基于交叉迭代法的车辆-轨道非线性耦合系统动力有限元程序VT_NFE262
附录4基于交叉迭代法的车辆-轨道-简支桥耦合系统纵向/垂向动力有限元程序VTBNFE_Lv285
附录5二系动轮单元-轨道-桥梁耦合系统动力有限元程序WTB_FE325
附录6基于车辆/轨道单元的列车-轨道耦合系统动力有限元程序TT_FE341
附录7基于谱单元法的无砟轨道结构中高频振动分析程序STV_SEM352
彩图