Phân tích động lực học tàu cao tốc có xét đến độ nảy bánh xe và tương tác với đất nền

I H C QU C GIA TP H CHÍ MINH TR NG I H C BÁCH KHOA LÊ TU N ANH PHÂN TÍCH NG L C H C TÀU CAO T C CÓ XÉT N Y BÁNH XE VÀ T NG TÁC V I TN N Chuyên ngành: Xây d ng cơng trình dân d ng cơng nghi p Mã s ngành: 60 58 20 LU N V N TH C S Tp.HCM, 12 - 2013 N CÔNG TRÌNH TR NG C HỒN THÀNH T I I H C BÁCH KHOA I H C QU C GIA TP H Cán b h ng d n khoa h c: Cán b h ng d n 1: TS L CHÍ MINH ng V n H i Cán b ch m nh n xét 1: TS Nguy n Tr ng Ph c Cán b ch m nh n xét 2: TS H H u Ch nh Lu n v n th c s c b o v t i Tr ng i h c Bách Khoa, HQG Tp HCM, ngày 18 tháng 01 n m 2014 Thành ph n H i ng ánh giá Lu n v n th c s g m: PGS.TS Chu Qu c Th ng - Ch t ch H i TS Nguy n H ng Ân - Th ký TS Nguy n Tr ng Ph c ng - y viên (Ph n bi n 1) TS H H u Ch nh - y viên (Ph n bi n 2) TS L - y viên ng V n H i CH T CH H I NG TR NG KHOA K THU T XÂY D NG PGS.TS Chu Qu c Th ng I H C QU C GIA TP.HCM TR NG C NG HÒA XÃ H I CH NGH A VI T NAM I H C BÁCH KHOA c L p - T Do - H nh Phúc NHI M V LU N V N TH C S H tên h c viên: LÊ TU N ANH MSHV: 11210229 Ngày, tháng, n m sinh: 08/02/1975 N i sinh: Hà N i Chuyên ngành: Xây d ng cơng trình dân d ng cơng nghi p I TÊN TÀI: Phân tích t ng tác v i t n n ng l c h c tàu cao t c có xét Mã s : 605820 n n y bánh xe II NHI M V VÀ N I DUNG Thi t l p ma tr n kh i l ng, ma tr n c ng ma tr n c n cho ph n t ray k t c u tàu s d ng ph ng pháp ph n t chuy n ng MEM (Moving Element Method) Phát tri n thu t tốn, l p trình tính tốn b ng ch ng trình Mathlab gi i h ph ng trình ng t ng th c a tốn Ki m tra tin c y c a ch ng trình tính b ng cách so sánh k t qu c a ch ng trình v i k t qu c a báo tham kh o Ti n hành th c hi n ví d s nh m kh o sát nh h ng c a nhân t quan ng c a tàu cao t c, t ó rút k t lu n ki n ngh tr ng n ng x III NGÀY GIAO NHI M V : 24/06/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 22/11/2013 V H VÀ TÊN CÁN B H NG D N: TS L NG V N H I Tp HCM, ngày tháng n m 2014 CÁN B H NG D N (H tên ch ký) TS L BAN QU N LÝ CHUYÊN NGÀNH (H tên ch ký) ng V n H i TR NG KHOA K THU T XÂY D NG (H tên ch ký) i L IC M Tr N c tiên, xin chân thành bày t lòng bi t n sâu s c V n H i Th y ã h ng d n giúp hình thành nên ý t n Th y TS L ng c a tài, h ng ng d n ph ng pháp ti p c n nghiên c u Th y ã có nhi u ý ki n óng góp q báu giúp tơi r t nhi u su t ch ng ng v a qua Tôi c ng xin chân thành c m n quý Th y Cô Khoa K thu t Xây d ng, tr i h c Bách Khoa Tp.HCM ã t n tình gi ng d y truy n t h c ng t ki n th c cho i h c su t khóa Cao h c v a qua Tôi c ng xin g i l i c m n n ThS Tr n Minh Thi ã có nhi u óng góp trao i giúp hi u rõ v b n ch t tài M c dù b n thân ã c g ng nghiên c u hồn thi n, nhiên khơng th khơng có nh ng thi u sót nh t nh Kính mong q Th y Cơ ch d n thêm b sung nh ng ki n th c hồn thi n b n thân h n Xin trân tr ng c m n quý Th y Cô Tp HCM, ngày 16 tháng 12 n m 2013 Lê Tu n Anh ii TÓM T T LU N V N TH C S Hi n t ng n y bánh xe x y bánh xe ray m t t ang ch y, i u làm nh h ó hi n t ng m t ng tr c ti p tài n y bánh xe t ng pháp ph n t chuy n phân tích ng x ng tác v i n s an toàn c a tàu cao t c Do c nhà khoa h c th gi i quan tâm nghiên c u Lu n v n s d ng ph (Moving Element Mothod) ng tác v i tàu t n n S t ng MEM ng c a tàu cao t c có xét ng tác gi a bánh xe ray n c tính tốn thơng qua mơ hình phi n Hertzian mơ hình ph n nh m t cách t t nh t hi n t h ng m t t ng tác gi a bánh xe ray Lu n v n c ng xem xét nh ng c a thông s quan tr ng nh v n t c tàu, ray n s xu t hi n c a hi n t bánh xe i v i ph n ng thân tàu c ng nh l c t khơng có xét hi n t Hi n t chuy n ng n y bánh xe Các tác t n n, ng tác bánh xe-ray s bi n ng n y bánh xe s ng c a hi n t nhám ray c quan tâm nghiên c u ánh giá c quan tâm phân tích cho tr n s xu t hi n c a hi n t ng th i, tác ng tác bánh xe-ray s ng c a hi n t ng h p tàu ng c a giá tr gia ng n y bánh xe s c ng n y bánh xe iv i c kh o sát giai o n t ng t c gi m t c Các k t qu r t có giá tr th c t cho vi c nghiên c u an toàn c a tàu cao t c ng n y i nh th có xét ng t ng t c hay gi m t c Trong giai o n này, nh h nghiên c u ánh giá nhám ng c a tàu cao t c, c th chuy n v c a bánh xe, ng n y bánh xe c ng t c c ng nh l ct c ng m b o cho s v n hành iii L I CAM OAN Tôi xin cam oan ây công vi c tơi th c hi n d Th y TS L is h ng d n c a ng V n H i Các k t qu Lu n v n úng s th t ch a c công b nghiên c u khác Tôi xin ch u trách nhi m v công vi c th c hi n c a Tp HCM, ngày 16 tháng 12 n m 2013 Lê Tu n Anh iv M CL C NHI M V LU N V N TH C S L I C M N i TÓM T T LU N V N TH C S .ii L I CAM OAN iii M C L C iv DANH M C CÁC HÌNH V vi DANH M C CÁC B NG BI U ix M T S KÝ HI U VI T T T x CH NG T NG QUAN 1.1 Gi i thi u 1.2 S phát tri n c a ng s t cao t c 1.3 M t s h th ng ng s t cao t c n i ti ng th gi i 1.4 Nh ng s c x y s d ng h th ng ng s t cao t c 10 1.5 Tình hình nghiên c u 15 1.5.1 Các cơng trình nghiên c u n c .15 1.5.2 Các cơng trình nghiên c u n c 18 1.6 M c tiêu h ng nghiên c u 19 1.7 Lu n v n 20 CH NG C S LÝ THUY T 21 2.1 Mơ hình tàu cao t c 21 2.2 Mơ hình liên k t bánh xe ray 24 2.3 Mơ hình ray-n n 27 2.4 Hi n t 2.5 Ph ng n y bánh xe 29 ng pháp ph n t chuy n 2.6 T ng l c t 2.7 Ph ng tác ng h s ng MEM 31 ng 34 ng pháp Newmark 34 v 2.8 Ph ng pháp Newton-Raphson 36 2.9 Thu t toán s d ng Lu n v n 37 2.9.1 Thông s u vào 37 2.9.2 Gi i toán theo d ng chuy n v xu t k t qu 39 2.10 n nh h i t c a ph 2.11 L p trình l u CH ng pháp Newmark 39 tính tốn 39 NG K T QU PHÂN TÍCH S 42 3.1 Tr ng h p 1: Tàu chuy n ng u v i v n t c khơng 3.1.1 Bài tốn 1: Ki m ch ng ch i 44 ng trình Matlab c a Lu n v n 44 3.1.2 Bài toán 2: Kh o sát s h i t c a toán .46 3.1.3 Bài toán 3: Kh o sát s xu t hi n c a hi n t ng n y bánh xe mơ hình ti p xúc Hertzian phi n .48 3.1.4 Bài toán 4: Kh o sát nh h ng c a b ph n tàu cao t c ng c a s n y bánh xe c ng n n khơng 3.1.5 Bài tốn 5: Phân tích nh h chuy n 3.1.6 Bài tốn 6: Phân tích nh h t ng tác 3.2 Tr ng h s khu ch ng h p 2: Tàu chuy n i i .56 ng c a s ng c a b ph n c a tàu cao t c thay n y bánh xe i ng c a s n y bánh xe ng v i v n t c bi n u có xét 3.2.3 Bài tốn 9: Phân tích nh h t CH ng tác h s khu ch i t n n .61 nl c i u 69 ng trình Matlab c a Lu n v n 69 3.2.2 Bài toán 8: Kh o sát s xu t hi n c a hi n t i c ng n ng DAF 65 3.2.1 Bài toán 7: Ki m ch ng ch giai o n v n t c bi n n chuy n ng n y bánh xe n giá tr gia t c .72 ng c a s n y bánh xe ng DAF v n t c bi n i nl c u .74 NG K T LU N VÀ KI N NGH 78 4.1 K t lu n 78 4.2 Ki n ngh 79 TÀI LI U THAM KH O 81 PH L C 85 LÝ L CH TRÍCH NGANG 114 vi DANH M C CÁC HÌNH V Hình 1.1 K s ng i Anh, John Smeaton (1724 – 1792) .1 Hình 1.2 B n Hình 1.3 S phát tri n Hình 1.4 Tàu cao t c Hình 1.5 Tàu cao t c TGV c a Pháp Hình 1.6 Tàu cao t c HST c a Anh Hình 1.7 Tàu cao t c ETR 610 c a Ý .8 Hình 1.8 Tàu cao t c CRH-380 c a Trung Qu c Hình 1.9 Tàu cao t c th h m i H th ng ng s t Vi t Nam .3 ng s t cao t c th gi i t n m 1964 n 2011 .5 u tiên Shinkansen c a Nh t B n n m 1964 c thi t k b i Central Japan Railway Hình 1.10 Tai n n tàu cao t c M (2013) 11 Hình 1.11 Tai n n tàu cao t c Tây Ban Nha (2013) 11 Hình 1.12 Tai n n tàu ho ch hoá ch t B (2013) 12 Hình 1.13 S c tàu cao t c Shinkansen Nh t B n (2013) 12 Hình 1.14 Tai n n tàu cao t c D3115 D301 Hình 1.15 Tai n n tàu cao t c Eschede Trung Qu c (2011) 13 c (1998) 13 Hình 1.16 Tai n n Hà N i (2013) 14 Hình 1.17 Tai n n Khánh Hòa (2013) 15 Hình 2.1 Tàu cao t c th c t 21 Hình 2.2 Mơ hình th c t giá chuy n h Hình 2.3 Mơ hình toa tàu cao t c 23 Hình 2.4 Liên k t bánh xe ray th c t 24 Hình 2.5 Mơ hình kh i l Hình 2.6 Mơ hình ray-n n ERS th c t 28 Hình 2.7 Tàu cao t c h ray ERS t i Anh .29 Hình 2.8 Mơ hình ray-n n lý thuy t 29 ng treo ng, h treo treo ph 22 ng liên k t Hertzian 26 vii Hình 2.9 S khác l c ti p xúc gi a mơ hình lị xo-c n Koh et al (2003) [26] mơ hình Hertzian phi n s d ng Lu n v n 30 Hình 2.10 H t a c a ph ng pháp MEM 32 Hình 2.11 M t c t ray tiêu chu n UIC 60 .38 Hình 2.12 Giao di n ph n m m tính tốn ph ng pháp ph n t chuy n Hình 2.13 L u Hình 3.1 ng l c h c tàu cao t c s d ng ng MEM .40 tính tốn .41 So sánh chuy n v ray umid gi a Lu n v n mơ hình Koh et al (2003) [26] .45 Hình 3.2 So sánh chuy n v bánh xe u3 gi a Lu n v n mơ hình Koh et al (2003) [26] .45 Hình 3.3 Chuy n v bánh xe u3 chia nh b c th i gian s l ng ph n t 47 Hình 3.4 nh h ng c ng n n n h s khu ch i ng DAF biên nhám ao = 0,05 mm 49 Hình 3.5 nh h ng c ng n n n h s khu ch i ng DAF biên nhám ao = 0.5 mm 50 Hình 3.6 nh h ng c ng n n n h s khu ch i ng DAF biên nhám ao = mm 50 Hình 3.7 nh h ng c ng n n n h s khu ch i ng DAF biên nhám ao = mm 51 Hình 3.8 nh h ng c ng n n n h s khu ch i ng DAF biên nhám ao = mm 51 Hình 3.9 nh h ng c ng n n n h s khu ch i ng DAF biên nhám ao = mm 52 Hình 3.10 nh h ng nhám ray h s khu ch i ng DAF c ng n n k = 107 (N/m2) .54 Hình 3.11 nh h ng nhám ray n h s khu ch i ng DAF c ng n n k = 107 (N/m2) 55 Ph l c 100 C(rdof+2,rdof+1)=-c1; C(rdof+2,rdof+2)=c1+c2; C(rdof+2,rdof+3)=-c2; C(rdof+3,rdof+2)=-c2; C(rdof+3,rdof+3)=c2+c3; C(rdof+3,rdof/2)=-c3; K(rdof+1,rdof+1)=k1; K(rdof+1,rdof+2)=-k1; K(rdof+2,rdof+1)=-k1; K(rdof+2,rdof+2)=k1+k2; K(rdof+2,rdof+3)=-k2; K(rdof+3,rdof+2)=-k2; K(rdof+3,rdof+3)=k2+k3; K(rdof+3,rdof/2)=-k3; %%Newmark constants beta=1/4; alpha=1/2; a0=1/(beta*deltat^2); a1=alpha/(beta*deltat); a2=1/(beta*deltat); a3=1/(2*beta)-1; a4=alpha/beta-1; a5=deltat/2*(alpha/beta-2); a6=deltat*(1-alpha); a7=alpha*deltat; y1d=zeros(rdof+3,to/deltat); y2d=zeros(rdof+3,to/deltat); y=zeros(rdof+3,to/deltat); F=zeros(rdof+3,1); F(rdof+1,1)=-m1*g; F(rdof+2,1)=-m2*g; F(rdof/2,1)=-(m1+m2+m3)*g;%Contact force has only the gravity STEP=0; K1=zeros(rdof+3,rdof+3); F1=zeros(rdof+3,1); E1=zeros(4,4); E1(1,1)=EI*int(n1rr*n1rr,r,0,l)+k*int(n1*n1,r,0,l); E1(1,2)=EI*int(n1rr*n2rr,r,0,l)+k*int(n1*n2,r,0,l); E1(1,3)=EI*int(n1rr*n3rr,r,0,l)+k*int(n1*n3,r,0,l); E1(1,4)=EI*int(n1rr*n4rr,r,0,l)+k*int(n1*n4,r,0,l); E1(2,1)=EI*int(n2rr*n1rr,r,0,l)+k*int(n2*n1,r,0,l); E1(2,2)=EI*int(n2rr*n2rr,r,0,l)+k*int(n2*n2,r,0,l); E1(2,3)=EI*int(n2rr*n3rr,r,0,l)+k*int(n2*n3,r,0,l); E1(2,4)=EI*int(n2rr*n4rr,r,0,l)+k*int(n2*n4,r,0,l); E1(3,1)=EI*int(n3rr*n1rr,r,0,l)+k*int(n3*n1,r,0,l); E1(3,2)=EI*int(n3rr*n2rr,r,0,l)+k*int(n3*n2,r,0,l); E1(3,3)=EI*int(n3rr*n3rr,r,0,l)+k*int(n3*n3,r,0,l); E1(3,4)=EI*int(n3rr*n4rr,r,0,l)+k*int(n3*n4,r,0,l); E1(4,1)=EI*int(n4rr*n1rr,r,0,l)+k*int(n4*n1,r,0,l); Ph l c 101 E1(4,2)=EI*int(n4rr*n2rr,r,0,l)+k*int(n4*n2,r,0,l); E1(4,3)=EI*int(n4rr*n3rr,r,0,l)+k*int(n4*n3,r,0,l); E1(4,4)=EI*int(n4rr*n4rr,r,0,l)+k*int(n4*n4,r,0,l); for x=1:2:rdof-3 for i=x:x+3 for j=x:x+3 K1(i,j)=K1(i,j)+E1(i+1-x,j+1-x); end end end K1(rdof+1,rdof+1)=k1; K1(rdof+1,rdof+2)=-k1; K1(rdof+2,rdof+1)=-k1; K1(rdof+2,rdof+2)=k1+k2; K1(rdof+2,rdof+3)=-k2; K1(rdof+3,rdof+2)=-k2; K1(rdof+3,rdof+3)=k2+k3; K1(rdof+3,rdof/2)=-k3; F1(rdof+1,1)=-m1*g; F1(rdof+2,1)=-m2*g; F1(rdof+3,1)=-m3*g; F1(rdof/2,1)=-(m1+m2+m3)*g;%Contact force has only the gravity yini1=K1\F1; yini=zeros(rdof+3,1);% the initial displacement of the system for i=1:rdof+3 yini(i)=yini1(i); end y(:,1)=yini; % : denotes an entire row or column y(:,2)=yini; tt=0:deltat:to-deltat; h=0; j=0; drop=0; DAF=zeros(to/deltat,1); DAF(1)=1; Qt=zeros(to/deltat,1); Qt(1)=+(m1+m2+m3)*g; disp(' -Koh Method '); fprintf('v = %9.5g\n',v); fprintf('ao = %9.5g\n',ao); fprintf('lamda = %9.5g\n',lamda); fprintf('deltat = %9.5g\n',deltat); fprintf('Analizing '); for i=1:(to-deltat)/deltat y(:,i+1)=y(:,i); y1d(:,i+1)=y1d(:,i); y2d(:,i+1)=y2d(:,i); h=h+deltat; Ph l c 102 for j=1:10000000 d1=y(rdof/2,i+1); d2=y(rdof+1,i+1); d3=y(rdof+2,i+1); d4=y(rdof+3,i+1); d5=y1d(rdof/2,i+1); d6=y1d(rdof+1,i+1); d7=y1d(rdof+2,i+1); d8=y1d(rdof+3,i+1); d9=y2d(rdof/2,i+1); d10=y2d(rdof+1,i+1); d12=y2d(rdof+2,i+1); d13=y2d(rdof+3,i+1); F(rdof+3,1)=k3*ao/1000*sin(2*pi*v*h/lamda)+c3*ao/1000*2*pi*v/ lamda*cos(2*pi*v*h/lamda)-m3*g; Ke=K+a0*M+a1*C; R=F+M*(a0*y(:,i)+a2*y1d(:,i)+a3*y2d(:,i))+C*(a1*y(:,i)+a4*y1d (:,i)+a5*y2d(:,i)); y(:,i+1)=Ke\R; y2d(:,i+1)=a0*(y(:,i+1)-y(:,i))-a2*y1d(:,i)a3*y2d(:,i); y1d(:,i+1)=y1d(:,i)+a6*y2d(:,i)+a7*y2d(:,i+1); d11=abs((y(rdof/2,i+1)-d1)/d1); d22=abs((y(rdof+1,i+1)-d2)/d2); d33=abs((y(rdof+2,i+1)-d3)/d3); d44=abs((y(rdof+3,i+1)-d4)/d4); d55=abs((y1d(rdof/2,i+1)-d5)/d5); d66=abs((y1d(rdof+1,i+1)-d6)/d6); d77=abs((y1d(rdof+2,i+1)-d7)/d7); d88=abs((y1d(rdof+3,i+1)-d8)/d8); d99=abs((y2d(rdof/2,i+1)-d9)/d9); d1010=abs((y2d(rdof+1,i+1)-d10)/d10); d1212=abs((y2d(rdof+2,i+1)-d12)/d12); d1313=abs((y2d(rdof+3,i+1)-d13)/d13); if d11