基于谱几何法的车辆-轨道结构频域振动分析

来源：振动与冲击杂志2025年第12期北京时间：

作者：吴神花, , 雷晓燕xiaoyanlei0, 余翠英

单位：1.华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，南昌330013；2.华东交通大学理学院，南昌330013

摘要：【目的】为研究车辆-轨道结构全频域振动问题，【方法】本文基于谱几何法构建了车辆-无砟轨道结构耦合系统动力学模型与算法，应用Rayleigh-Ritz法推导了轨道结构谱几何单元刚度矩阵、阻尼矩阵、质量矩阵、单元之间的耦合虚拟弹簧刚度矩阵及轮轨耦合刚度矩阵，求解了车辆-轨道结构耦合系统动力学谱几何法方程，得到了车辆-轨道结构全频域内振动响应，分析了轨道结构单元尺寸对收敛性和计算效率的影响，讨论了钢轨、轨道板、底座板虚拟弹簧刚度系数取值范围。通过与有限元法对比，验证了谱几何法的正确性和高效性。作为应用实例，分析了在轨道随机不平顺激励下车辆-轨道结构耦合系统的振动响应。【结果】研究结果表明：在保证计算精度的前提下，谱几何法可以采用大的轨道结构单元尺寸计算，而有限元法的轨道结构单元尺寸更小，因此谱几何法的计算效率远大于有限元法的；当轨道结构单元尺寸取3.25m和6.5m时，谱几何法的计算效率较高，可作为谱几何法分析车辆-轨道结构耦合系统动力学问题的参考单元尺寸；钢轨、轨道板、底座板虚拟弹簧刚度的合理取值为大于或等于其对应构件抗弯刚度的105倍。车体、转向架位移幅频曲线交替出现众多峰值和谷值，为车辆系统四个轮对间轨道不平顺激励相位差所致；车体、转向架垂向位移幅频曲线谷值处频率分别对应车辆“定距滤波”和“轴距滤波”频率。【结论】研究成果为求解全频域内车辆-轨道结构耦合系统动力学问题提供了另一种高效、精确的数值方法，为车辆-轨道结构系统减振分析和设计提供技术支撑。<br>

关键词：谱几何法；车辆-轨道结构耦合系统；无砟轨道结构；全频域；虚拟弹簧。