(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210582435.6 (22)申请日 2022.05.26 (71)申请人 中铁第四勘察设计院集团有限公司 地址 430063 湖北省武汉市武昌区和平大 道745号 申请人 华东交通大 学 (72)发明人 朱彬　李秋义　罗伟　刘林芽　 王昊文　左志远　 (74)专利代理 机构 长沙市融智专利事务所(普 通合伙) 43114 专利代理师 胡喜舟 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/23(2020.01) (54)发明名称 车辆-轨道-隧道耦合系统动力分析方法、 装 置及储存介质 (57)摘要 本发明公开了一种车辆 ‑轨道‑隧道耦合系 统动力分析方法、 装置及储存介质， 其中方法包 括以下步骤： 首先建立列车 ‑轨道‑隧道垂向耦 合 振动频域分析模型， 求解车辆系统动导纳、 钢轨 动导纳、 接触弹簧动导纳； 通过结合轨道不平顺 求解轮轨动态作用力， 进而 求解车辆 ‑轨道‑隧道 系统耦合振动频域响应。 适用于车辆、 轨道及隧 道结构参数变化对车辆 ‑轨道‑隧道耦合系统的 动力响应影响分析， 计算采用线性数学模型， 运 行速度快， 效率与精度较高； 能得到较真实的车 辆‑轨道‑隧道耦合系统动力学响应， 为轨道交通 地下线设计和运营维护提供一定的理论依据。 权利要求书2页 说明书8页 附图4页 CN 114943118 A 2022.08.26 CN 114943118 A 1.一种车辆 ‑轨道‑隧道耦合系统动力分析 方法， 其特 征在于， 包括： S1： 建立车辆 ‑轨道‑隧道垂向耦合随机振动频域分析模型； S2： 将简谐荷载施加到车辆模型 上， 通过动态导纳法求 解车辆系统动导纳； S3： 将简谐荷载施加在轨道 ‑隧道耦合模型中， 采用有限元 方法求解钢轨动导纳； S4： 假定轮轨 接触形式， 求 解接触弹簧动导纳； S5： 模拟轨道不平顺； S6： 基于车辆系统动导纳、 钢轨动导纳、 接触弹簧动导纳， 结合轨道不平顺求解轮轨动 态作用力； S7： 将轮轨动态作用力加载至车辆模型， 求 解车辆系统的振动频域响应； S8： 将轮轨动态作用力加载至轨道 ‑隧道耦合模型， 求解轨道 ‑隧道耦合系统的振动频 域响应。 2.根据权利要求1所述的车辆 ‑轨道‑隧道耦合系统动力分析方法， 其特征在于， 所述步 骤S1中， 车辆模型采用10自由度车辆模型， 车辆模型信息包括载重， 车体、 转向架及轮对质 量， 车体及转向架转动惯量， 一系悬挂、 二系悬挂刚度和阻尼， 以及车辆 长度。 3.根据权利要求1所述的车辆 ‑轨道‑隧道耦合系统动力分析方法， 其特征在于， 所述步 骤S1中， 采用有限元方法建立轨道 ‑隧道耦合模型， 轨道 ‑隧道耦合模型信息包括钢轨杨氏 模量、 剪切模量、 接触面 面积， 截面惯性矩以及隧道 尺寸、 弹性模量和泊松比。 4.根据权利要求1至3任一项所述的车辆 ‑轨道‑隧道耦合系统动力分析方法， 其特征在 于， 所述步骤S2包括： 将一个间谐波的轨道 施加到车辆模型 上， 通过下式得到列车系统的轮对动导纳αV： [αV]＝(‑ω2[Mv]+iω[Cv]+[Kv])‑1 式中， ω为激振圆频率， [Mv]为车体质量矩阵， [Cv]为车体阻尼矩阵， [Kv]为车体刚度矩 阵； 再通过下式转化得到车辆系统动导纳αW： [αW]＝[H][αV][H]T 5.根据权利要求1至3任一项所述的车辆 ‑轨道‑隧道耦合系统动力分析方法， 其特征在 于， 所述步骤S3包括： 将简谐荷载施加在轨道 ‑隧道耦合模型中， 求得钢轨的垂向位移频域响应； 结合格林函数的定义计算出轮轨 接触点处的钢轨动导纳； 所述步骤S4包括： 假定轮轨 接触形式， 求取接触刚度的倒数， 得到 接触弹簧动导纳。 6.根据权利要求1至3任一项所述的车辆 ‑轨道‑隧道耦合系统动力分析方法， 其特征在 于， 所述步骤S6包括： 采用虚拟激励 法对车辆 ‑轨道耦合随机振动响应进行求解， 根据建立的车辆 ‑轨道耦合权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114943118 A 2模型可以得到轮轨动态作用力： Pwr＝‑( αW+αR+αC)‑1R(ω) 式中， Pwr为轮轨动态作用力、 R(ω)为轨道不平顺， αW、 αR、 αC依次为车辆系统动导纳、 钢 轨动导纳、 接触弹簧动导纳。 7.根据权利要求1至3任一项所述的车辆 ‑轨道‑隧道耦合系统动力分析方法， 其特征在 于， 所述步骤S7包括： 将轮轨动态作用力代入车辆振动方程， 求 解得到车辆系统的振动频域响应： av(ω)＝‑ω2*Zc(ω) 式中， av(ω)、 Zc(ω)依次为车辆系统加速度响应、 车辆系统位移响应； ω为激振圆频 率。 8.根据权利要求1至3任一项所述的车辆 ‑轨道‑隧道耦合系统动力分析方法， 其特征在 于， 所述步骤S8包括： 将轮轨动态作用力加载至轨道 ‑隧道耦合模型上， 求解得到轨道 ‑隧道耦合系统 的振动 频域响应： ag(ω)＝‑ω2*Zg(ω) 式中， ag(ω)、 Zg(ω)依次为轨道 ‑隧道耦合结构加速度响应、 轨道 ‑隧道耦合结构位移 响应； ω为激振圆频率。 9.一种车辆 ‑轨道‑隧道耦合系统动力分析装置， 其特 征在于， 包括： 模型构建模块， 用于建立车辆 ‑轨道‑隧道垂向耦合随机振动频域分析模型； 车辆系统动导纳求解模块， 用于将简谐荷载施加到车辆模型上， 通过动态导纳法求解 车辆系统动导纳； 钢轨动导纳求解模块， 用于将简谐荷载施加在轨道 ‑隧道耦合模型中， 采用有限元方法 求解钢轨动导纳； 接触弹簧动导纳求 解模块， 用于假定轮轨 接触形式， 求 解接触弹簧动导纳； 车辆‑轨道振动响应求解模块， 用于模拟轨道不平顺， 获取宽频范围内车辆 ‑轨道耦合 系统的振动频域响应； 轨动态作用力求解模块， 用于基于车辆系统动导纳、 钢轨动导纳、 接触弹簧动导纳， 结 合轨道不平顺 求解轮轨动态作用力； 车辆振动响应求解模块， 用于将轮轨动态作用力加载至车辆模型， 求解车辆系统的振 动频域响应； 轨道‑隧道振动响应求解模块， 用于将轮轨动态作用力加载至轨道 ‑隧道耦合模型， 求 解轨道‑隧道耦合系统的振动频域响应。 10.一种计算机可读存储介质， 其存储有计算机程序， 其特征在于， 所述计算机程序被 处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述的车辆 ‑轨道‑隧道耦合系统动力分析 方法。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114943118 A 3