Page 248 - 《振动工程学报》2026年第3期

848 振 动 工 程 学 报 第 39 卷

维护不佳，线路平顺性受到较大影响，使得车辆长 元⁃多体动力学（finite element⁃multi⁃body dynamics，
［2］
期降速运行 ，由于路基沉降具有不可逆性与累进 FE⁃MBD）建模方法，建立了考虑轨道层间脱空的
性，不利于高速铁路安全运营，因此需对路基沉降 车辆⁃轨道⁃路基耦合模型；在纵向不均匀沉降的基
问题展开系统研究。张乾等 ［3］ 建立了钢轨⁃无砟道 础上，进一步考虑路基横向不均匀沉降，以基础结
床⁃路基空间耦合模型 ，研究了不同沉降工况下的 构病害引起的轨道层间脱空及钢轨不平顺作为初
无砟轨道结构变形和轨面不平顺变化规律；崔旭浩 始 激 励 ，分 析 了 路 基 横 向 不 均 匀 沉 降 作 用 下 车
等 ［4⁃5］ 研究了路基不均匀沉降对轨道结构受力和服 辆⁃轨道耦合系统的动力响应 ，以期为沉降高发区
役寿命的影响规律，讨论了路基沉降对轨道变形、 高速铁路路基段运营稳定和服役安全提供参考。
界面粘结破坏和轨道⁃路基接触状态的影响 ；郭宇
等 ［6］ 对比了纵连板式轨道与单元板式轨道对轨下 1 计算模型
基础结构变形的适应性；罗震 对高速行车条件下
［7］
的 CRTS Ⅰ型板式无砟轨道振动特性进行了研究； 1. 1 车辆-轨道-路基耦合模型
向俊等 ［8⁃9］ 分析了无砟轨道结构变形对轨道受力的
CRTS Ⅰ型无砟轨道由钢轨、扣件、轨道板、底
影 响 规 律 ；JIANG 等 ［10］ 研 究 了 CRTS Ⅱ 型 板 式 无
座板、圆形挡台及钢筋网等结构组成。钢轨与轨道
砟轨道的轨道结构纵向应力与路基面接触应力的
板之间以弹簧⁃阻尼单元模拟扣件 ，通过约束弹簧
变化规律。
上下两端节点的转动自由度来模拟扣件垫板的作
铁路系统是列车与轨下基础结构的统一，轨道
结构变形会恶化车辆动力学性能。李国芳等 ［11］ 探究 用；轨道板、底座板采用实体单元模拟；考虑轨道板
了路⁃桥过渡段沉降、刚度变异与车轮扁疤联合作用 伸缩缝后模型纵向总长为 39.836 m；采用桁架单元
下的车辆系统动力响应；任娟娟等 ［12］ 建立了车辆⁃轨 模拟钢筋，并利用降温法模拟钢筋预应力；由于长
道⁃路基垂向耦合动力学模型，研究了 CRTS Ⅰ型板 期运营后底座板与路基层间粘结力会极大减弱甚
式 无 砟 轨 道 沉 降 病 害 下 的 车 辆⁃轨 道 系 统 振 动 规 至消失，故使用“硬接触”进行模拟；为消除边界效
律 ；ZHANG 等 ［13］ 探 究 了 不 同 车 速 对 沉 降 区 段 车 应，模拟无缝线路并消除钢轨端部动力波反射对系
辆⁃轨道⁃路基耦合系统动力响应的影响规律；张乾 统振动造成的影响 ［18］ ；钢轨、无砟轨道和路基两端
等 ［14］ 对照了线弹性模型与塑性损伤模型下的车辆 采用对称约束，路基底部为完全固定约束。
动力响应，结果表明，混凝土塑性损伤本构对车辆 在前期研究的基础上 ［1⁃2，11］ ，本文基于 FE⁃MBD
动力学分析影响并不显著，路基不均匀沉降造成的 建模方法、车辆⁃轨道⁃路基相互作用关系建立了考
轨道⁃路基层间脱空是导致轮轨接触力迅速增大的 虑 轨 道 层 间 脱 空 效 应 的 高 速 铁 路 车 辆⁃轨 道⁃路 基
主要原因；ZHANG 等 ［15］ 分析了 CRTS Ⅰ型板式无 耦 合 模 型 。 如 图 1（a）所 示 ，大 系 统 包 括 无 砟 轨 道
砟轨道路基不均匀沉降波长、幅值位置等对车辆运 子系统与车辆子系统，在无砟轨道子系统中，通过
营性能的影响；宋欢平等 ［16］ 研究了路基沉降工况、 模态叠加法求解轨道结构各柔性体的振动响应，通
车 辆 运 营 速 度 等 因 素 对 轮 轨 振 动 特 性 的 影 响 ；张 过对部件有限元模型进行计算，剔除其刚性模态，
克 平 等 ［17］ 考 虑 轨 道 自 重 荷 载 和 轮 轨 接 触 关 系 ，分 生成柔性子系统 ［19］ ；基于无砟轨道系统各结构部件
析 了 路 基 不 均 匀 沉 降 条 件 下 车 辆 行 驶 速 度 、路 基 的力学参数和参振规律，提出了无砟轨道系统精细
不均匀沉降波长和幅值等参数对车辆动力学特性 化 模 拟 方 法 ，为 精 细 考 虑 轨 道 结 构 之 间 的 脱 空 效
的影响。 应，如图 1（b）所示，采用含不同间隙大小的非线性
既有研究在进行路基不均匀沉降的车辆⁃轨道 弹簧模拟轨道结构的层间局部脱空效应，以模拟车
动力学分析时，常常认为路基仅存在纵向沉降，忽 辆 动 荷 载 作 用 下 轨 道 结 构⁃路 基 之 间 的“ 接 触⁃分
视了路基的横向结构变形，但在实际线路中，由于 离⁃再接触”的动态接触行为。
填筑工艺、现场环境差异以及列车荷载等因素的影 在车辆子系统中，车辆模型采用 CRH3 型高速
响，路基的横向结构性质并非完全均匀分布，因此 动车，考虑车体、构架、轮对的浮沉、横摆、伸缩、摇
路基不均匀沉降沿线路纵向以及横向的不均匀性 头 、点 头 侧 滚 以 及 轴 箱 的 点 头 运 动 ，共 50 个 自 由
往往是同时存在的，分析路基横向不均匀沉降下车 度。车辆系统模型基于多体系统动力学原理建立，
辆⁃轨 道 系 统 动 力 学 性 能 变 化 有 重 要 的 工 程 实 际 为 准 确 模 拟 轮 轨 动 态 响 应 ，车 辆 轮 对 采 用 柔 性 结
意义。 构，钢轨以 Timoshenko 梁模拟，采用 Kik⁃Piotrowski
鉴 于 此 ，本 文 将 轨 道 结 构 有 限 元（FE）模 型 和 模 型 ［20］ 模 拟 轮 轨 接 触 ，车 轮 踏 面 采 用 S1002CN。
车辆系统多体动力学（MBD）模型耦合 ，基于有限 表 1 为车辆⁃无砟轨道系统的主要参数。