Phân tích động lực học tàu cao tốc sử dụng phương pháp phần tử nhiều lớp dầm chuyển động có xét đến tương tác đất nền

Ill TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC sĩ Với nhu cầu vận chuyển hành khách ngày tăng cao, hệ thống tàu cao tốc quan tâm nghiên cứu nhiều nhà khoa học giới Luận văn tập trung phân tích ứng xử động hệ thống tàu cao tốc sử dụng phương pháp phần tử nhiều lớp dầm chuyển động MFM (Moving Frame Method) Các nghiên cứu trước thường chỉ' mơ hình Winkler lớp, nhiên điều lại không với thực tế tàu cao tốc (có tải trọng cao hệ số động lớn) thường bao gồm nhiều lớp Do đó, phát triển Luận văn mơ xác kết cấu áo đường ray nhiều lớp Đồng thời, mơ hình đất đàn hồi-cản nhớt hai thông số khảo sát nhằm thể xác đặc tính ứng xử lớp đất Ý tưởng Luận văn nhằm phát triển phương pháp MFM việc giải toán phần tử dầm nhiều lớp chịu tải trọng di động Trong tốn này, lớp mơ phần tử nhiều lớp dầm xem chuyển động tải trọng xem đứng yên so với dầm Điều hoàn toàn ngược lại với phương pháp phần tử hữu hạn FEM (Finite Element Method) truyền thống Cách thiết lập ma trận khối lượng, ma trận độ cứng ma trận cản cho hệ kết cấu ba lóp ma trận tổng thể hệ trục tọa độ tương đối cho toán động lực học hệ thống tàu cao tốc chạy ray trình bày Ngồi ra, hệ thống tàu cao tốc mô với bốn điểm tiếp xúc bánh xe ray, nhằm thể mơ hình tàu thực tế Ảnh hưởng tương tác kết cấu đất khảo sát trình bày yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến vận hành an toàn hệ thống tàu cao tốc Các kết phân tích số triển khai nhàm tìm hiểu ảnh hưởng yếu tố quan trọng đến ứng xử hệ thống tàu-thanh ray-đất nền, ví dụ như: vận tốc tàu, khối lượng thân tàu, khơng hồn hảo ray, thông số lớp cắt, độ cứng ba lóp tượng cộng hưởng Các kết nghiên cứu Luận văn hy vọng tài liệu tham khảo hữu ích nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho cơng việc thiết kế, thi công bảo dưỡng đường ray MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC sĩ MỰC LỰC iii : iv DANH MỤC CÁC HỈNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIÊU X MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT xi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Những hệ thống đường sắt cao tốc hàng đầu giới 1.3 Những thuận lợi cố thường xảy sử dụng hệ thống đường sắt cao tộc 1.4 Tình hình nghiên cứu tính cấp thiết đề tài 1.4.1 Các cơng trình nghiên cứu giới 1.4.2 Các cơng trình nghiên cứu nước 12 1.5 Mục tiêu hướng nghiên cứu 1.6 Cấu trúc Luận văn 15 CHƯƠNG Cơ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 ; .14 17 Mơ hình tàu cao tốc 17 2.2 Mơ hình khối lượng treo động hệ thống tàu cao tốc 18 2.3 Mơ hình tương tác bánh xe-ray .20 2.4 Mơ hình ray-nền 22 2.5 Phương pháp phần tử nhiều lớp dầm chuyển động 25 2.6 Lời giải giải tích 31 2.7 Phương pháp Newmark 33 2.8 Phương pháp Newton-Raphson 35 V 2.9 Lưu đồ tính tốn CHƯƠNG ví DỤ SỐ 3.1 37 .38 Bài'toán 1: Khảo sát hội tụ toán so sánh với lời giải giải tích 3.1.1 40 Khảo sát hội tụ khoảng cách chia lưới dầm 41 3.1.2 Khảo sát hội tụ bước thời gian 44 3.2 Bài toán 2: Kiểm chứng chưong trình Matlab Luận văn 46 3.3 Bài tốn 3: Phân tích ảnh hưởng thơng số lớp cắt đến ứng xử động tàu cao tốc 50 3.4 Bài toán 4: Khảo sát tượng cộng hưởng xảy tàu cao tốc chuyển động sàn bê tông , 52 3.5 Bài toán 5: Phân tích ứng xử động tàu cao tốc thay đổi khối lượng thân tàu 56 3.6 Bài tốn 6: Phân tích ứng xử động tàu cao tốc thay đổi biên độ độ nhám ray .60 3.7 Bài tốn 7: Phân tích ứng xử động tàu cao tốc thay đổi bước sóng độ nhám ray 64 3.8 Bài tốn 8: Phân tích ứng xử động tàu cao tốc thay đổi đồng thời biên độ bước sóng độ nhám ray 3.9 68 Bài toán 9: Khảo sát xuất hiện tượng nảy bánh xe 72 3.10 Bài tốn 10: Phân tích ứng xử động tàu cao tốc thay đổi hệ số độ cứng lớp đất 81 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87 4.1 Kết luận 87 4.2 Kiến nghị 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO " 91 KẾT QUẢ CÔNG BỐ ĐẠT ĐƯỢC TỪ LUẬN VÀN 96 PHỤ LỤC : 99 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 126 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỊ THỊ Hình 1.1 Tàu cao tốc ETR200 Hình 1.2 Tàu cao tốc Shinkansen Nhật Bản năm 1964 .1 Hình 1.3 Tàu cao tốc T.G.V POS Pháp Hình 1.4 Tàu cao tốc CRH-380 Trung Quốc Hình 1.5 Tàu ICE Đức Hình 1.6 Tàu Red Arrow của,Ý Hình 1.7 Tàu Sancheon cùa Hàn Quốc Hình 1.8 Tàu Shinkansen E5 Nhật Hình 1.9 Tai nạn Nhật Bản (2013) .6 Hình 1.10 Tai nạn Hà Nội (2013) Hình 1.11 Tai nạn New York (2013) Hình 1.12 Tai nạn Moscow (2014) Hình 2.1 Mơ hình thực tế tàu cao tốc Hình 2.2 Mơ hình lỷ thuyết tàu cao tốc 18 Hình 2.3 Mơ hình mở rộng khối lượng treo động với bánh xe tiếp xúc 19 Hình 2.4 Mơ hình liên kết bánh xe ray thực tế 21 Hình 2.5 Mơ hình ray-nền thực tế ; 22 Hình 2.6 Mặt cắt ngang lóp ray 23 Hình 2.7 Mơ hình ray-nền (slab track) Hình 2.8 Mơ hình FEM truyền thống 25 t Hình 2.9 18 Mơ hình Luận văn MFM 24 25 Hình 2.10 Hệ tọa độ phưong pháp MFM 26 Hình 2.11 Mơ hình nhiều lớp dầm chuyển động điển hình có 12 bậc tự 26 Hình 2.12 Lưu đồ tính tốn 37 Hình 3.1 Mơ hình hệ thống tàu cao tốc sàn bê tông .39 Hình 3.2 Các phần tử MFM điển hình trường họp khoảng cách chia lưới khơng 41 vii Hình 3.3 Khảo sát đường cong chuyển vị ray khoảng cách chia lưới khác 42 Hình 3.4 Khảo sát chuyển vị ray bước thời gian khác 45 Hình 3.5 Các phần tử MFM điển hình sử dụng Luận văn 47 Hình 3.6 Lực tương tác bánh xe-ray trường hợp ray trơn hoàn hảo 48 Hình 3.7 Đường cong chuyển vị ray trường họp ray trơn hồn hảo 48 Hình 3.8 Đường cong chuyển yị ray trường họp ray không trơn 49 Hình 3.9 Chuyển vị lớn ray 51 Hình 3.10 Tần số lực kích thích động thay đổi theo bước sóng Ằc vận tốc V 54 Hình 3.11 Tần số riêng fn thay đổi theo độ tăng đồng thời hệ số độ cứng hai lóp ksvầ kb 55 Hình 3.12 Hệ số động DAF lớn khối lượng thân tàu thay đổi 58 Hình 3.13 Chuyển vị ray lớn khối lượng thân tàu thay đổi 58 Hình 3.14 Hệ số động DAF lớn biên độ độ nhám ray thay đổi 61 Hình 3.15 Chuyển vị lớn ray biên độ độ nhám ray thay đổi 61 Hình 3.16 Chuyển vị lớn sàn bê tông biên độ độ nhám ray thay đổi 62 Hình 3.17 Chuyển vị lớn lóp HBL biên độ độ nhám ray thay đổi 62 Hình 3.18 Hệ sổ động DAF lớn bước sóng độ nhám ray thay đơi 65 Hình 3.19 Chuyển vị lớn ray bữớc sóng độ nhám ray thay đổi 65 Hình 3.20 Chuyển vị lớn nhất'của sàn bê tơng bước sóng độ nhám ray thay đổi 66 viii 'I Hình 3.21 Chuyển vị lớn lớp HBL bước sóng độ nhám ray thay đổi 66 Hình 3.22 Hệ số động DAF biên độ bước sóng độ nhám ray thay đổi 69 Hình 3.23 Chuyển vị lớn ray biên độ bước sóng độ nhám ray thay đổi 70 Hình 3.24 Chuyển vị lớn'nhất sàn bê tơng biên độ bước sóng độ nhám ray thay đổi 70 Hình 3.25 Chuyển vị lớn lớp HBL biên độ bước sóng độ nhám ray thay đổi 71 Hình 3.26 Hệ số động DAF lớn ứng với hệ số độ cứng rail pad thay đổi biên độ độ nhám ray a0 = 0.01 mm 74 Hình 3.27 Hệ số động DAF lớn ứng với hệ số độ.cứng rail pad thay đổi biên độ độ nhám ray a0 = 0.4 mm 74 Hình 3.28 Hệ số động.ZMF lớn ứng với hệ số độ cứng rail pad thay đổi biên độ độ nhám ray ao = 0.8 mm 75 Hình 3.29 Hệ số động DAF lớn ứng với hệ số độ cứng rail pad thay đổi biên độ độ nhám ray a0 = 1.6 mm 75 Hình 3.30 Hệ số động DAF lớn ứng với hệ số độ cứng rail pad thay đổi biên độ độ nhám ray a0 = 2.0 mm 76 Hình 3.31 Hệ số động DAF lớn ứng với biên độ độ nhám ray thay đổi hệ số độ cứng rail pad kr= 1x1 o7 N/m2 78 Hình 3.32 Hệ số động DAF lớn ứng với biên độ độ nhám ray thay đổi hệ số độ cứng rail pad kr = 6x1 o7 N/m2 .79 Hình 3.33 Hệ số động DAF lớn ứng với-biên độ độ nhám ray thay đổi hệ số độ cứng rail pad kr = 12x1 o7 N/m2 79 Hình 3.34 Hệ số động DAF1ỚIỊ ứng với biên độ độ nhám ray thay đổi hệ số độ cứng rail pad kr = 18xl07 N/m2 80 Hình 3.35 Hệ số động DAF lớn ứng với hệ số độ cứng ba lớp thay đổi 83 ix Hình 3.36 Chuyển vị lớn ray, sàn bê tông lớp HBL hệ số độ cứng rail pad thay đổi 83 Hình 3.37 -Chuyển vị lớn ray, sàn bê tông lớp HBL hệ số độ cứng CAM thay đổi 84 Hình 3.38 Chuyển vị lớn ray, sàn bê tông lớp HBL hệ số độ cứng đất thay đổi 84 X DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thôngsố tàu 40 Bảng 3.2 Thôngsố ray 40 Bảng 3.3 Thông số tính tốn liên kết phi tuyến Hertzian 40 Bảng 3.4 Tóm tắt thơng số Bài toán khảo sát hội tụ khoảng cách chia lưới dầm 42 Bảng 3.5 Kết khảo sát hội tụ chuyển vị ray khoảng cách chia lưới khác 44 Bảng 3.6 Tóm tắt thơng số Bài tốn khảo sát hội tụ bước thời gian 44 Bảng 3.7 Kết khảo sát hội tụ chuyển vị ray bước thời gian khác 45 Bảng 3.8 Tóm tắt thơng số trường họp ray tron hoàn hảo 47 Bảng 3.9 Tóm tắt các, thơng số trường hợp ray khơng trơn 47 Bảng 3.10 So sảnh kết với Lei Wang (2013) [37] 50 Bảng 3.11 Tóm tắt thơng số Bài tốn 51 Bảng 3.12 Tóm tắt thơng số Bài tốn 54 Bảng 3.13 Tóm tắt thơng số Bài toán / 57 Bảng 3.14 Tóm tắt thơng số Bài toán 60 Bảng 3.15 Tóm tắt thơng số Bài toán 64 Bảng 3.16 Tóm tắt thơng số Bài tốn 69 Bảng 3.17 Tóm tắt thơng số Bài toán 73 Bảng 3.18 Các trường họp xuất nảy bánh xe 81 Bảng 3.19 Tóm tắt thơng số Bài tốn 10 82 xi MỘT SÔ KÝ HIỆU VIẾT TẮT Chữ viết tắt CAM Lóp vữa nhựa đường xi măng (Cement-asphalt Mortar) DOF Bậc tự (Degree of Freedom) FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) FEST Phần tử hữu hạn cua đường ray (Finite Element for Slab Track) HSR Đường ray cao toe (High Speed Rail) HBL Lớp dẫn động thủy lực (Hydraulically Bonded Layer) HHT Hilber, Hughes Taylor HHỚ Hilber, Hughes MEM Phương pháp phần tử chuyển động (Moving Element Method) MFM Phương pháp phần tử nhiều lớp dầm chuyển động (Moving Frame Method) ' Ma trận Vec tơ u Vec tơ chuyển vị điểm hệ thống tàu cao tốc Mf Ma trận khối lượng tổng thể Kf Ma trận độ cứng tổng thể Cf Ma trận cản tổng thể Pf Vectơ lực tổng thể ' Mef Ma trận khối lượng phần tử nhiều lớp dầm Cef Ma trận cản phàn tử nhiều lóp dầm Kef Ma trận độ cứng phần tử nhiều lớp dầm Mer Ma trận khối lượng ray Mes Ma trận khối lượng sàn Bê tông Meb Ma trận khối lượng lớp HBL cer Ma trận cản ray ĩ ces Ma trận cản sàn Bê tông Ceb Ma trận cản lớp HBL Kẹr Ma trận độ cứng ray Kes Ma trận độ cứng sàn Bê tông Keb Ma trận độ cứng lớp HBL Ký hiệu m Khối lượng dầm ray mét dài k Độ cứng c Độ giảm xốc E Mô đun đàn hồi Young vật liệu làm đường ray I Mơ men qn tính vật liệu làm đường ray V Hệ số poisson vật liệu mc Khối lượng thân xe mbr Khối lượng giá chuyển hướng phía sau mbf Khối lượng giá chuyển hướng phía trước Khối lượng bánh xe Mơ men qn tính thân xe •hr Mơ men qn tính giá chuyển hướng phía sau Mơ men qn tính giá chuyển hướng phía trước K Độ cứng lị xo giá chuyển hướng kĩ Độ cứng lò xo thân xe kc Độ cứng lò xo bánh xe CI Bộ giảm xốc giá chuyển hướng C2 Bộ giảm xốc thân xe F,ci Lực liên kết bánh xe ray