（机械设计及理论专业论文）全自动化集装箱码头低架桥动力学特性分析.pdf

摘要 摘要 “低架桥电动平板小车水平运输系统”是振华港机在世界首创的立体式、 轨道式集装箱电动小车智能传送分配方案，是全自动化集装箱码头技术创新中 的重要一环。而低架桥是这个系统中的主体，所以低架桥在作业过程中呈现的 动态特性决定着整个码头的运行稳定性。本文首先利用有限元法对低架桥的固 有特性进行分析；然后根据平板小车与低架桥的特殊轮轨关系重点研究了低架 桥所受的各种载荷，包括轮轨接触载荷、轨道不平顺的加载以及风载荷对低架 桥产生的激励；最后分析低架桥在几种典型工况下的动态响应。在分析动态响 应时，本文采用将电动平板小车简化成移动质量块的模拟方法，这样不仅考虑 了平板小车在移动过程中的重量而且还考虑了惯性载荷，另外将静止的小车， 简化成质量单元进行加载，这样更加符合实际的加载情况。 本文首先对振华港机高效智能立体装卸集装箱码头的设计方案进行了简要 介绍；接着利用商业软件a n s y s 建立了低架桥的三维有限元模型，并进行模态 分析得到低架桥的固有频率和振型，然后对分析结果进行了深入讨论。 根据电动平板小车与低架桥轨道的特殊轮轨关系，本文重点分析了低架桥 在运行过程中所受到的各种载荷，其中小车一低架桥轮轨接触载荷、轨道不平 顺对低架桥的加载以及风载荷对低架桥产生的激励是最主要的三种载荷。对于 轮轨接触产生的载荷，水平侧向力的确定是非常重要的，本文通过设计手册中 的经验公式法和k a l k e r 线形蠕滑理论两种方法计算其大小。在确定轨道不平顺 和风载荷对低架桥的加载时，利用三角级数法，使用m a t l a b 软件对模拟程序进 行编程，最终根据功率谱密度函数模拟出轨道不平顺曲率和脉动风速，模拟得 到加载到低架桥上的载荷大小。 最后利用商业软件a n s y s 的瞬态分析，分析低架桥在几种典型工况下的动 态响应，在加载过程中根据不同的工况进行详细的加载，并对分析结果做了详 细的讨论。为低架桥的结构优化提供参考。 关键字：全自动化码头低架桥动态特性动力学响应瞬态 i ：海科学技术委员会资助项目( n o 0 6 d z i1 2 0 2 ) a b s t ra c t a b s t r a c t “h o r i z o n t a lt r a n s p o r ts y s t e mo fe l e c t r i c a lv e h i c l ea n dl o w - f r a m e - b r i d g e i s t h r e e - d i m e n s i o n a la n dw i t hr a i l w a yf o r m u l ac o n t a i n e re l e c t r i c a lv e h i c l ei n t e l l i g e n c e t r a n s p o r ta l l o c a t i o np l a nt h a tc r e a t e db yz p m c i ti s av e r yi m p o r t a n tp a r to f t e c h n i q u ei n n o v a t i o ni nt h i sp r o g r a m t h el o wf r a m eb r i d g ei st h em a i nb e d yo ft h i s s y s t e m ，s ot h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h el o wf r a m eb r i d g ed e c i d et h es t a b i l i t yo f t h ew h o l et e r m i n a l sn m n i n g a tf i r s t , t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma r e i n v e s t i g a t e dw i mf i n i t ee l e m e n tm e t h o di nt h i st h e s i s t h a nt h ed i f f e r e n tl o a d so fl o w f r a m eb r i d g ea r ei n v e s t i g a t e da sk e y p o i n t sb e c a u s eo ft h es p e c i a lw h e e l - r a i lr e l a t i o n o fv e h i c l ea n dl o wf r a m eb r i d g e s u c ha sw h e e l r a i lc o n t a c tl o a d ，t r a c ki r r e g u l a r i t y l o a da n dw i n dl o a d a tl a s t ，t h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h es y s t e mu n d e rs o m ek i n d so f t y p i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n si sa n a l y z e da sw e l l i nt h i st h e s i s ，t h ev e h i c l ew i l lb e d e g e n e r a t e dt om o v e dm a s sb l o c k ，t h i sa n a l o g ym e t h o dc o n s i d e rn o to n l yt h ev e h i c l e m a s sb u ta l s ot h ei n e r t i a ll o a do fi t i ti sm o r et r u t h f u l t h eh i g he f f i c i e n c ya u t o m a t i cc o n t a i n e rt e r m i n a li si n t r o d u c e da tf i r s t t h e t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h el o wf r a m eb r i d g ei sd e v e l o p e d b yf e a s o f t w a r ea n s y s a n dt h ed y n a m i cf e a t u r e so ft h el o wf r a m eb r i d g ea r ea n a l y z e d t h r o u g hm o d a la n a l y z e t h o s ec o n t a i nn a t u r a lf r e q u e n c ya n dm o d es h a p e a tl a s tt h e r e s u l t sa r ed i s c u s s e ds t r i c t l y b e c a u s eo ft h es p e c i a lw h e e l r a i lr e l a t i o no fv e h i c l ea n dl o wf r a m eb r i d g e ，t h e l o a d so fl o wf r a m eb r i d g el o a d e da r es t u d i e da sk e yp o i n t s t h ew h e e l r a i lc o n t a c t l o a d ，t r a c ki r r e g u l a r i t yl o a da n dw i n dl o a da r et h em o s ti m p o r t a n tl o a d so fl o wf r a m e b r i d g el o a d e d f o rt h ew h e e l - r a i lc o n t a c tl o a d ，t h eh o r i z o n t a ll a t e r a lf o r c ei st h em a i n p a r t i nt h i st h e s i s ，i tu s e st w om e t h o d s ，e m p i r i c a lf o r m u l am e t h o da n dk a l k e rl i n e a r i s c r e e p i n gs l i pt h e o r y , t oc a l c u l a t et h el o a d i nt h ep r o c e s so fc a l c u l a t et r a c ki r r e g u l a r i t y l o a da n dw i n dl o a d ，i tu s e st r i g o n o m e t r i cs e r i e sm e t h o da n dm a t l a bs o f t w a r et o s i m u l a t et h et r a c ki r r e g u l a r i t yc u r v a t u r ea n dw i n ds p e e d ，t h a nt og a i nt h el o a d u s i n gt h et r a n s i e n ta n a l y s i so fa n s y s ，t h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h el o wf r a m e i i a b s t r a c t b r i d g eu n d e rs o m ek i n d so fs o m ek i n d so ft y p i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n si sa n a l y z e d a n di td o e sp a r t i c u l a r i t yd i s c u s s i o no ft h er e s u l to ft h ea n a l y s i s t h o s ew i l lp r o v i d e m o r ei n f o r m a t i o nf o rs t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no fl o wf r a m eb r i d g e k e yw o r d ：a u t o m a t i cc o n t a i n e rt e r m i n a l ，l o wf r a m eb r i d g e ，d y n a m i cf e a t u r e s ， d y n a m i cr e s p o n s e ，t r a n s i e n ta n a l y s i s s u p p o r tb ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i s s i o no fs h a n g h a im u n i c i p a l i t y ( g r a n tn o 0 6 d z112 0 2 ) i i i 学位论文版权使用授权书 本入完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：芬，贺 加。夕年多月沁日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名船l ) 商 。 t - ) pp 夕年 之月 0 日 第1 章绪论 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题是“高效智能型立体装卸集装箱码头系统核心技术研发与应用 的 子课题，“高效智能型立体装卸集装箱码头系统核心技术研发与应用”获上海市 科学技术委员会资助，项目编号为0 6 d z l l 2 0 2 。 1 2 课题背景 近年来，据不完全统计海运承载着世界贸易运输总量的2 3 ，在各种运输方 式中，以低成本，运量大为主要特点并占据不可动摇的地位。作为沟通海运和 其它运输方式的集装箱码头，就成为物流，资金流，信息流交汇的中心，在经 济全球化社会中扮演重要的角色。为了适应集装箱的增长需求，对集装箱码头 装卸的自动化，高效化，低成本提出了更高的要求。国际贸易的迅猛发展给集 装箱运输业带来了前所未有的发展机遇，目前，我国集装箱吞吐量跃居世界首 位，占全球港口集装箱吞吐量的2 5 ，并以年均3 0 的速度增长。根据交通部 发布的报告显示，预计在2 0 1 0 年前后中国的外贸集装箱生成量将达到8 0 0 0 万 到8 5 0 0 万t e u 。在国际贸易大发展的背景之下，世界各国尤其是发达国家对集 装箱港口的发展愈加重视，加紧了港口的扩建和改进，增加港口的吞吐能力。 集装箱港口的装卸效率直接影响着港口的吞吐量。传统港口装卸系统的装 卸效率很大程度上受到工人操控设备熟练程度的影响，效率低下，已经无法满 足日益增长的装卸量的需要。为了提高装卸效率、降低装卸成本，很多国家在 开展港口自动化装卸系统的研究。全自动化集装箱码头备受国际社会的关注。 尽管全自动化运转集装箱码头投资大，但是如果全自动化运转系统有效运作，营 运成本将会降低，增加的投资能够得到相应的补偿。随着集装箱码头全自动化运 转技术的发展以及提高竞争力的迫切需要，集装箱码头全自动化运转将成为大势 所趋。 目前全球集装箱实行全自动化作业的码头有荷兰鹿特丹e c t 码头和德国汉 第1 章绪论 堡港哈拉码头。它们的水平运输均采用自动导航小车即a g v 系统，存在共同问 题：一是投资昂贵，二是没有人操作码头效率高。由于这两个致命的缺点，尽 管他们在研发高效智能化集装箱码头上迈出了步伐，树立了榜样，但是这种码 头却没有得到推广应用。人们正在试图寻找新方法和新技术来解决全自动化集 装箱码头的诸多问题，以期达到全自动化集装箱码头的高效，节能，环保，低 成本的目的。 如何研制比人操作码头效率高，而又投资不高的经济型自动化码头被提上 港口机械制造商的议事日程。上海振华港口机械有限公司调研了世界上各自动 化码头和堆场的特点，并听取了国内港口专家的建议，提出解决这个问题的技 术关键即：决定取消内燃机驱动的水平运输和昂贵的导航系统，采用电驱动的 码头装卸设备：并将其置于立体轨道上构成了集装箱立体输送网络，从而达到 全自动化，高效化的集装箱装卸水平。 1 2 。l 全自动化集装箱码头国外发展状况 早在上个世纪8 0 年代中期，在劳动力成本昂贵和熟练劳动力匮乏的地区， 自动化运转集装箱码头首先受到关注，英国泰晤士港、日本川崎港以及荷兰鹿 特丹港规划建设自动化运转的集装箱码头。泰晤士港和川崎港自动化运转集装 箱码头均计划采用分阶段建设的方法实施，但是由于后续的自动化设备开发的 财政资助发生变化而搁浅，鹿特丹港e u r o p ec o m b i n e dt e r m i n a l s ( e c t ) 的建设 则按照计划进行，成为了世界上第一个自动化运转集装箱码头。紧接着德国汉 堡港由h a m b u r g e rh a f e n u n dl a g e r h a u s a k t ie n g e s e lls c h a f t ( h h l a ) 码头公 司经营管理的a l t e n w e r d e r 自动化运转集装箱码头一期工程投产【1 1 。 e c t 和a l t e n w e r d e r 集装箱码头是当前自动化运转程度最高的集装箱码头， 也是仅有的采用自动导引车a g v 在码头前沿与堆场之间进行集装箱水平运输的 码头。世界各地其他港口也在积极探索全自动化集装箱码头发展的方案，如新 加坡港口等，其中也有很多创新的设计，为其他地区提供了借鉴。 分析国际集装箱全自动化码头的发展现状和趋势，可以看出大致分三代【2 】： 第一代是荷兰鹿特丹港e c t 码头一期和二期为代表，目前己投入运营的自 动化程度最高的码头。 第二代是德国汉堡h h l a c t a 码头。目前j 下在试运行的最先进的自动化集装 2 第1 章绪论 箱码头。 第三代是荷兰鹿特丹港e u r o p m a x 码头为代表尚未完成。 ( 1 ) 荷兰鹿特丹港 鹿特丹港( 图卜1 ) 位于欧洲莱茵河河u ，被称为“欧洲港”的欧洲晟大的 贸易港，是目前已投入运营的自动化程度最高的码头。该码头的经营者是欧洲 联合码头公司( e c t ) 。其d e l t as e a l a n d 集装箱码头作为世界上第一个自动化 运转集装箱码头于1 9 9 3 年投产，实践证明其自动化运转集装箱码头建设达到了 预期的目标。 e c t 在总结d e l t as e a l a n d 自动化运转集装箱码头建设和使用经验的基础 上相继1 9 9 7 年建成了d e l t ad e d i c a t e de a s t ( d d e ) 自动化运转集装箱码头， 2 0 0 0 年建成了d e l t ad e d i c a t e dw e s t ( d d w ) 自动化运转集装箱码头。2 0 0 1 年e c t 的通过能力为4 1 0 万t e u ，实际吞吐量达到3 3 0 万t e d 。 自动化集装箱码头均采用岸边集装箱起重机进行船舶装卸作业，需要司机 进行操作，可以进行半自动化作业。码头前沿与集装箱堆场自j 的集装箱运输由 h g v 完成。a g v 的工作由码头中央控制聿生产过程控制系统( p c s ) 进行管理和控 制，实现了完全自动化。集装箱堆场采用自动堆垛起苇机a s c 进行堆垛作业， a s c 的一i ：作也由码头中央控制室的 c s 进行管理和控制，实现了完全自动化。而 外部提箱和送箱乍车的装卸作业，由p c s 管理和控制相应的a s c 将所提目标集 装箱由堆场取出，井运送到设在堆场陆侧端的集装箱换装点，冉由人工操作的 跨运车将集装箱运到卡车装卸场装上外部提箱卡车：外部送箱卡车所送集装箱 操作相仿。 _ 蔓时 幽ll * 0 1 1 肫特月港 第1 章绪论 d e l t as e a l a n d 自动化集装箱码头采用g o t t w a l d 公司开发的a g v ，每次只 能装载一个集装箱，而且运行速度限制为3 m s 。使用网格自由定位系统f r o g 进行导航和控制，f r o g 系统利用车载天线跟踪成矩阵方式布置在码头面上的异 频雷达收发机进行操纵。为提高定位精度，需要增加异频雷达收发机的布置密 图1 - 2d e l t a 集装箱码头平面布置示意图 1 d e l t am a e r s k 码头堆场2 d e l t as e a l a n d 码头堆场3 d d e 码头堆场 4 d d w 码头堆场5 集装箱进出码头通道6 岸边集装箱起重机 度，相应增加码头投资。据介绍e c t 目前异频雷达收发机的布置间距为2 ，z 。此 外，在码头面下以2 5 c m 为间距埋设了导线系统，a g v 利用信号电缆和磁感应器， 感知其处在导线的范围，与f r o g 系统配合使用，更加精确地确定a g v 的位置 如果在导线系统范围内，a g 的定位精度可达3 0 m m ；如果不在导线系统范围内， a g v 的定位精度为5 0m m 。a g v 上还装有超声波探测装置以及其他辅助安全避 碰装置，能够感知在其由全速行驶到停止运行的减速位移范围内的障碍物，避 免碰撞障碍物。 ( 2 ) 德国汉堡港 汉堡港( 图卜3 ) 为世界第六大集装箱港，是欧洲第二大国际贸易港，目前 正在试运行的最先进的自动化集装箱码头。该码头最大的经营公司是汉堡港仓 储公司( h h l a ) ，占吞吐量的一半多。 码头采用了振华港机( z p m c ) 的陆侧小车作业完全自动化的大型双小车式 岸边集装箱起重机，大大提高了装卸效率，而装卸集装箱至a g v 小车的位置为 起重机的尾部，这样又避免了a g v 小车接收g p s 信号的盲区；水平运输采用a g v ； 堆场作业采用完全自动化的轨道式龙门起重机，每个堆垛布置一高一低起重机 4 幕i 章绪论 ，e 两台，但是轨距不删并运行在不州轨道上，可以相互穿越运行：提箱和送箱 的集装箱乍车将通过条4 车道7 5 mk 的道路直接进入 h 应的堆垛处进行装卸 箱作业。 蚓卜3 德国汉母港 凹卜4 1t e n w e r d e r 集犍箱码头y - m j 柿置示意幽 1 码头办公以及集装辅进、l i 检卉防 2 堆场区3并炎仓库4 火1 舴业区 5 空箱堆场及箍裟箱的维修清理服务区 a g v 通过埋设在码头上的电子标志进行导航，当a g v 经过电子标志时，按照 从码头管理系统传递米的指令读取电了标志的信息。在a ( ；v 小车卜没置差分全 球定位系统( d g p s ) 和激光雷达系统( l a d e r ) 阿个自动位置测定装置，两系统 同时使用，爿能正确了解小车的位置，定位精度达到5 0 m m 。岸边集装箱起重 机仲距范围内巾置了d 条平彳：l - 的车道，使得a g v 能够以司样的效率为岸边集装 箱起、e 机提供集姨箱转接服务。 第1 章绪沦 22 振华港机全自动化集装箱码头技术特点 振华港机全自动化集装箱码头相对f 荷兰鹿特川港和德固汉缮港的全自动 化熊装箱码头共有两个大的技术改进： 第一，采用了“双小车式岸边集装箱起蕈机技术”这种技术有三个特点”l ： ( 1 ) 改变了传统的装卸箱的位置，集卡不是在门框之内，而足在后伸距下 处的装卸箱上。这样既避免了a g v 绕过转弯处，进入起重机门框造成的拥堵， 又避免了g p s 信号的盲区。 ( 2 ) 双小车中的前小车将集装箱先卸载在靠海侧的平台上，然后返身去抓 新箱( 前小车的生产率就是起重机的生产率) 在平台上用人工将集装箱下的转 销取下，也就是降低取转销的时间，不影响起重机生产率。而后小车速度永远 大于前小车，它迅速将平台上的集装箱取起，转运到集卡上。 ( 3 ) 用两只高度不同的小车巧妙的处理好高度( 装卸船时需要高达4 0 米) 与低度( 装卸集卡时要低，高度只需要l2 _ 一1 3 米) 两种需要，既有利卸( 装) 船又利装( 卸) 集卡。大大优越于单小车起重机。 第，采用了“低架桥电动平板小车水平运输系统”。 这种系统( 图l5 ) 是振华港机在世界首创的直体式、轨道式集装箱i u 动小 车智能传遴分配方案，取代了目前世界上所有集装箱码头前沿岸桥和后方堆场 z 州的水平运输仝部采用内燃机驱动的水平运输工具( 集 ，a g v ，跨运车) 的 地面运输系统，实现集装箱在码头前沿岸桥与码头后a 堆场问的快捷立体传送， 以便于实现智能化调度、自动化控制和提高集装箱传送效率：且可极_ 人地缩短 岸桥引言方的码头占地血积、减少码头造价；并由于采h j 电动小车比内燃机，蜓 幽15 振华港机自动化码头方窠模拟幽 第1 章绪论 动的集# 、a g v 、跨运车竹能耗损，减低设备成本，提高经济性，又消除了内燃 机废气排放和噪声污染，符合环保要求，同时设备的总用量大大减少。 常规码头使用的集装箱内燃机 车，一个泊位至少5 0 台以t ：常规自动化 码头使用的内燃机驱动的自动导向牟近百台之多；而本系统的集装箱运转电动 机只有3 4 台。 如图16 所示，1 为轨道桥电动起重小车，2 为轨道桥电动平板小车3 为 地面轨道回转式电动平板小车。该装卸系统的工作原理可以简单描述如卜( 以 卸箱过程为例) ：在集装箱起重机后伸距下布置有平行于码头岸边的低架桥，起 重机将集装箱从船舶提运至低架桥上的平板小车2 上，平板小车2 在低架桥上 高速运行至指定位置，由起重小车1 将集装箱提运至低架桥下的运输小车3 上， 运输小车3 沿垂直于低架桥的轨道将集装箱至堆场。从而完成水平运输过程。 幽16 低架桥l u 动甲板小车水甲运输系统模拟幽 13 研究的内容及意义 课题“高效智能型立体装卸集装箱码头核心技术研发与应h j ”的关键创新 点是集装箱立体输送网络。而陔网络包括：集装箱超重机、低架桥系统以及地 面轨道和地面回转成电动平板小车。可以看出由起重小车、平板小车以及低架 桥组成的小车低架桥系统，也就是上节所说的“低架桥电动甲板小车水甲运 输系统”是实现矗体装卸的关键子系统。 木课题以振华港口机械有限公司设计的试验方案中的低架桥为 噩研究埘 鲤分析r 低架桥的阎有特1 h ：| 羊细分析了存、r 扳小下以及起重小车运一t u , t x , i 第1 章绪论 低架桥产生的各种作用载荷( 包括动载荷，水平侧向力，轨道不平顺产生的载 荷等) ，以及风载荷对低架桥的影响；在此基础上进一步研究了几种典型工况下 各种载荷对低架桥的动态响应。 通过对低架桥动态特性的研究，得到低架桥的频率和振型，为整个低架桥 系统在作业时避免发生共振、保障系统安全运行提供基础。通过低架桥对各种 载荷作用下的动态响应的研究可以对低架桥的动态特性做出评估，为低架桥以 及自动化码头整体系统的改进和结构优化提供依据。 1 4 车桥系统动力学国内外研究状况 对于全自动化码头中用于运输集装箱的平板小车和低架桥车桥系统动力学 研究，由于是振华港机首创，在国内的相关研究很少，在国外也是没有参考的 文献。因此，本文在研究过程中，主要参考国内外用于轨道车辆中的车桥系统 研究相关文献，以及桥梁受车辆载荷作用下的动态研究文献。 在车桥系统动力相互作用问题研究的长期发展进程中，国内外研究学者建 立了从简单到复杂的各种分析模型【4 】。如图1 7 可以说明这些分析模型的演变历 史，其中梁的模型都是弹性的连续体，不同的是移动载荷的简化形式： 图1 。7 ( a ) 是最早的模型，他只考虑移动的不变力载荷。 图1 7 ( b ) 模型考虑了力，如谐振力或冲击力等载荷的变化。 图1 7 ( c ) 模型的载荷考虑了移动的质量，即考虑了质量的惯性力。 图1 7 ( d ) 模型用弹簧和阻尼器将簧下和簧上两个质量连接在一起，可以 同时考虑两个之连个惯性力及其相互作用。 图1 7 ( e ) 模型已经是比较现代的模型了，簧上质量同时考虑了平动( 竖 直) 和转动两个惯性力，可以较好的模拟一个二轴车或转向架的竖向振动。按 这样的简化模型导出的体系运动方程和分析方法具有很大的局限性，由此得到 的分析计算结果能够获得车桥动力响应在某些方面的大概趋势，但不能全面的 反应实际情况。 从2 0 世纪6 0 年代开始，车桥动力相互作用问题的研究突破了传统框架， 进入了系统动力学研究阶段。如图1 7 ( f ) 所示，这种模型可以分析桥梁的竖向 动力学特性，其中有限元法作为一种通用方法起了很重要的作用，但由于没有 考虑体系的扭转效应，无法反应车体复杂的运动状况。 8 第1 章绪论 ( d ) ( e ) 仉， f - 母- ? 帝t 1 托_ il m l l 杂。絷：t ，巍t 絷二 一 ( o 图1 7 车桥动力相互作用分析模型的演变 9 第1 章绪论 近几十年来，随着计算机的广泛应用、计算技术的迅速发展以及高速铁路 建设的迫切需要，各国学者在研究中已尽可能地考虑了各种因素，先后提出了 日趋完善的车桥系统动力分析模型，并以不同的方法导出了考虑各种因素相互 关系的运动方程式，然后按照实际的车辆和桥梁参数，根据不同的情况和要求 在计算机上进行仿真分析，得出了许多有益的研究成果。 松浦章夫针对具有二系悬挂弹簧装置的四轴车辆建立了包括车体点头和沉 浮、两个转向架点头和沉浮以及4 个轮对竖向运动等，共1 0 个自由度的车辆动 力学模型，考虑轨道不平顺，用能量法推导出车辆与桥梁相互作用的运动方程。 根据日本新干线实际桥梁的阻尼、频率和跨度、列车的轴重排列和车辆连接数 等因素对桥梁动力系数的影响问题，他还特别研究了车辆与桥梁的共振问题， 提出了产生共振的条件 5 - 7 1 。 朱光汉、d h a r 和g a r g 较早地开发了车桥系统空间振动的研究。他们吧桁梁 视为三维空间结果，车体考虑为具有沉浮、点头和侧滚3 个自由度的刚体，建 立了车辆和桥梁体系的空间计算模型和用矩形表示的动力方程组。他们还用随 机振动分析方法研究了车辆与轨道不平顺对桥梁动力系数的影响，利用计算机 模拟轨面不平顺随机函数，并用逐步积分法求解车体和桥梁的振动位移和加速 度，这是车桥系统随机振动分析方法上的一大进步 g - - h 1 。 原长沙铁道学院曾庆元院士及其研究生对车桥系统振动理论进行了深入的 研究 1 2 - 1 4 。他们避开了轮轨衔接条件不确定的困难，将机车抽象成2 1 个自由度 的车辆模型，对桁架桥及混凝土桥分别采用空间桁段单元与空间梁段单元进行 离散，考虑机车车辆二系弹簧、蠕滑力、重力刚度与重力角刚度及车辆阻尼的 影响，建立列车在桥上任意位置时变系统总势能的计算式；然后由势能驻值原 理及形成矩阵的“对号入座法则，将车桥视为一个振动特性随列车过桥时间 变化的整体体系，导出了车桥时变系统的振动方程；再以机车车辆构架实测蛇 形波为激励元，求解车桥时变系统的振动响应。 原上海铁道大学的曹雪芹教授等结合大量的现场实测与理论分析，对刚桁 架桥的车激横向振动问题进行了研究 1 5 - 1 7 j ，取得许多有价值的成果。他们除了 对简支梁桥的竖向振动进行了分析以外，还着重研究了单跨箱型钢桁架桥在列 车过桥时的空问振动问题。其特点是，推导出了车桥体系动力相互作用的平衡 方程，采用逐步积分法求解微分方程组，+ 以轨道不平顺和车辆蛇形运动作为车 桥体系的横向振动源。 1 0 第l 章绪论 北京交通大学的夏禾教授和陈英俊教授带领的课题组对车桥系统的动力相 互作用机器相关问题做了一系列的研究，将车辆简化为一系悬挂系统模型，分 别建立了车辆横向与竖向振动分析模型，研究了车一桥一墩体系的动力相互作 用问题【l8 1 ，脉动风与列车载荷同时作用下桥梁的动力响应问题 1 9 , 2 0 】，地震载荷 对桥上列车运行平稳性的影响 2 1 , 2 2 ，车桥系统的动力可靠度问题 2 3 1 。他们又与 西南交通大学、铁道科学研究院、长沙铁道学院合作研究了秦沈客运专线桥梁 动力特性及列车走行性，研究成果对我国第一条客运专线的桥梁设计提供了重 要的动力参数 2 4 1 。后来他们还参加了铁道部组织的秦沈客运专线桥梁动力性能 综合试验，成功的对狗河特大桥进行了动力测试。 石家庄铁道学院的张玉娥、白宝鸿【2 5 1 给出了两种列车动载的定量分析方法， 采用弹塑性本构关系和摩尔库伦屈服准则，应用有限元模型在时域内对隧道结 构及其周围岩体进行动力响应分析。他们在现场试验的基础上，利用频谱分析 方法，得出由于地铁列车振动而引起的轨道振动加速度的数值表达式，根据车 辆系统振动简化模型，建立了正确的模拟轮系的运动方程，从而推导出地铁列 车振动荷载。 2 0 世纪6 0 年代高速铁路的出现对车桥系统动力分析提出了新的要求。法国、 同本、德国、比利时、西班牙、韩国、瑞典等国以及我国台湾在高速铁路的发 展过程中，都建立了各自的车桥系统动力互相作用分析模型，并采用计算机仿 真分析的方法，对桥梁结构在高速列车作用下的动力响应问题进行了系统的研 究，为高速铁路桥的设计提供了重要的设计参数。在日本，松浦章夫首先研究 了高速列车对桥梁的竖向动力冲击作用【5 6 1 ；1 9 8 7 年，t a n a b l e 针对新干线上的 四轴客车建立了3 1 个自由度的车辆模型，并采用有限元一模态综合技术进行求 解，分析了车桥系统的空间动力响应。德国学者对桥梁在高速列车作用下的动 力行为做了大量现场试验研究并在此基础上编制了计算机分析程序s i m p a c k , 用来研究车辆、桥面系、桥梁结构系统的综合振动。他们研究和提出了桥梁和 车辆的振动频率与车速、跨度的关系，以及车厢体挠曲振动、转向架的沉浮几 点头振动、车厢体的沉浮和点头振动的频率范围。这些研究成果直接应用于高 速铁路桥梁的设计中 2 6 1 。 我国关于车辆与结构动力相互作用问题的分析理论和分析方法已经走在了 世界上本领域研究的前列，研究成果为我国的现代化建设做出了很大的贡献。 第l 章绪论 1 5 本文的研究思路及方法 本文采用有限元商用软件a n s y s ，对主要研究对象全自动化码头低架桥进 行三维有限元建模。首先利用软件中的模态分析对低架桥进行固有特性分析， 得到低架桥的固有频率和振型；然后重点研究低架桥在全自动化码头作业过程 中所受的各种载荷，包括平板小车和起重小车运行过程中产生的轮轨接触力、 水平侧向力、移动动载荷、轨道不平顺产生的动载荷、风载荷等，并确定各个 载荷的模拟数值；最后选取具有代表性的四种工况，分别对低架桥进行详细的 加载，其中静止的载荷采用质量单元进行模拟代替，利用瞬态分析，分别对四 种工况进行详细动态分析，得到低架桥上几个关键点的位移时间曲线，最后对 结果进行分析。 1 6 论文的结构安排 第一章介绍课题的来源、课题的背景以及研究的内容及意义； 第二章阐述了研究低架桥固有特性的有限元方法，并对商业软件a n s y s 进行简单的介绍，并介绍怎样利用a n s y s 建立低架桥的三维有限元模型。利用 模态分析对低架桥进行固有特性分析； 第三章动力学响应分析的一般理论，介绍动力学方程的建立过程及动力学 响应分析的一般方法； 第四章低架桥所受载荷分析，重点分析了全自动化码头在运行作业过程 中，低架桥所受的各种载荷，包括轮轨接触的载荷，轨道不平顺产生的载荷以 及风载荷对低架桥的作用等，并确定了各个载荷的数值及算法。 第五章低架桥动力学响应分析，根据平板小车和起重小车载重量以及运行 方式的不同确定了低架桥工作的四种工况，并将第四章确定的各种载荷加载到 低架桥的有限元模型中，并对四种工况下的动态响应进行分析 第六章结论与展望。 1 2 第2 章低架桥的州有特性分析 第2 章低架桥的固有特性分析 结构的固有特性主要是指结构的固有频率和振型。简单的说就是结构在自 由振动中所反映出来的结构自己本身的振动特性。所谓自由振动是在振动过程 中不受外干扰力的作用，而由初始干扰影响下所引起的振动，也称为固有振动。 在这个状态下的固有频率和振型反映了结构的动力特性，它和结构在动力载荷 作用下的反映情况密切相关，因此分析结构的固有特性具有重要的意义。固有 频率还可以称为特征频率、基本频率、共振频率、主频率。结构在特定频率下 的变形命名为主振动模态，还可以称为振型、特征型、固有型。结构的固有频 率和振型只和结构的质量分布、刚度分布和阻尼特性有关，和外载荷无关。固 有频率和振型的计算是一个求解特征值的问题。特征值对应固有频率，特征向 量对应振型，如在分析中忽略了阻尼，特征值将为实数( 考虑阻尼使特征值为 复数) 。无阻尼系统固有频率和振型的求解称为计算实特征值( 实特征值分析) ， 或计算主模态( 主模态分析) 。 模态分析就是确定结构的固有频率和振型。本章的主要目的就是对低架桥 建立有限元的模型，利用有限元法，在a n s y s 软件中对其进行模念分析，得到 低架桥的固有频率和振型，然后作进一步的分析，为低架桥的动力响应分析做 好基础。 2 1 振动方程的建立 为了进行多自由度体系的低架桥振动分析，根据有限元法，我们将低架桥 桥结构离散成集中质量的简支梁作为模型。一般多自由度系统的运动可以用常 系数二阶线性微分方程组来描述，用矩阵的形式表达为 2 0 1 ： j 蚜+ c x + 麒= p ( f ) ( 2 一1 ) 多自由度振动模型简图如下： 1 3 第2 章低絮桥的同有特性分析 为 m = _ 点 图2 - 1 多自由度体系的振动分析模型 设体系有个自由度，方程组中系数矩阵均为x n 阶的对称矩阵，表达式 码l 0 o m 2 2 0 0 0 0 删 c = q 1 0 12 q l岛2 c mc m lm n m 世= 焉。与： 焉 也k岛。 lt 2- t 州 式叶l ：吖为体系的质量矩阵，在集中质量体系中为对角矩阵；c 为阻尼系 数矩阡：k 为刚度矩阵；膏、膏、x 分别为阶加速度、速度和位移列向量， 其巾x = i x , x 2hj 7 ；叫f ) = 胁( f ) 岛( f ) 肌( 州7 为阶载荷列向嘬。它是一个 随时问变化的载荷。 2 2 固有频率和振型 埘r 币考虑外力影响的无阻尼自由振动运动方程 埘+ k x = 0( 2 - 2 ) 这是一个齐次线性微分方程组，其一般解可以由v 个特解的线性组合来表 不。令其特解为 x = 一s i n ( f + 们 代入式( 2 3 ) 并消士公田子s i n ( c o t + 0 1 得到 f 一m2 m ) a = 0 ( 2 - 3 ) 私一 第2 章低架桥的同有特性分析 要得到爿的非零解，则式( 2 - 4 ) 的系数行列式必须等于零，即： d = k 一国2 m l = o ( 2 5 ) 这就是n 个自由度体系的频率方程，或称为特征方程，其展开式为： 岛l - - 0 ) 2 铂l 如， 如。 岛： 一国2 ，1 2 2 ： k ： 岛 也 一缈2 ， =0(2-6) 将行列式展开，可以得到频率向量彩的个正实根q ，哆，分 别称为第一、第二第阶频率，并总称为频谱。对应每一个频率q 都有一 个特解： 石= a s i n ( c o , t + o , ) ( 尼= 1 ，2 ，忉 ( 2 7 ) 式中：彳为对应于嗥的振幅列向量；x 则为对应于q 的位移列向量，这样 的特解一共有个。其中，对应于每个自由度的位移为： 五= 4 ”s i n ( o d + 0 k ) ( 2 8 ) 根据线性微分方程的理论可知，方程( 2 - 2 ) 的一般解为所有这些特解的线性 组合，即： x = a r k ) s i n ( m k t + 0 k ) ( 2 9 ) k = l 把式( 2 7 ) 写成展开形式 墨”= 4 ”s i n ( c o k t + 0 k ) 管) - 4 ”s i n ( o k t + 0 k ) l ”= 4 ds i n ( c a d + 0 k ) 蜡= 爿箩s i n ( o k t + 0 k ) ( 2 1 0 ) 这些式子说明，个自由度体系中任意一点的自由振动都是由n 个简谐 振动合成的。对应于每一个频率q ，各个质点均按该频率作同步的简谐振动。 1 5 第2 章低架桥的同有特性分析 振动时各质点位移比值为i d ：0 ：z ”：蟛) _ 4 d ：4 ”：4 ”：鸳， 这一比值与时间无关，从而在整个体系上组成一种固定的振动模式。通常 把对应于每一个频率的简谐振动称为主振动，而相应的振动形式称为主振型( 简 称振型) 。n 个自由度的结构有个主振动，相应的有个振型。 2 3 特征方程的一般解法 对于多自由度体系和无限自由度体系，通常用精确解法去求解特征方程是 非常繁杂的工作。特别是在实际工程中，结构一般都具有较多的自由度，很难 得到自振特性的精确解。另外，实际中常常要迅速得到近似结果，作为初步设 计和精确计算的依据。因此寻求简单快捷的计算方法十分重要。下面介绍集中 常用的求解特征方程的解法【2 8 l 。 ( 1 ) 瑞；乖u ( r a y l e i g h ) 法( 能量法) 瑞利法是计算振动体系基频最有效、最简便的方法之一，它是根据能量守 恒定律建立起来的，故也称为能量法。 根据能量守恒定律，当保守体系按某个频率做自由振动时，没有能量的输 入和消耗，则机械能保持为一恒量，即 丁(f)+yo)=c(2-11) 式中，r 为体系在某一时刻的动能；y 为体系在某一时刻的应变能；c 为常数。 当振动体系幅值达到最大值时，动能为零，而应变能为最大；当体系经过 静平衡位置时的瞬时，动能有最大值，而应变能为零。根据能量守恒定律，在 这两个特定的时刻，有 乙= ( 2 1 2 ) 利用这一等式可得到确定的频率方程，如果体系中有以个集中质量m ，设以】，( 五) 表示i 点的振幅， 缈z ：竺坠颦生( 2 _ 1 3 ) 工m ( x ) y 2 ( x ) d x + y , m i y 2 ( t ) 利用瑞利法一般只用来求得第一频率，对于高阶频率，则往往误差较大。 1 6 第2 章低架桥的同有特性分析 ( 2 ) 瑞利一里兹( r a y l e i g h r i z e ) 法 瑞利里兹法实质是瑞利法的演变。在瑞利里兹法中，挠度函数不是用简单 的函数表示，而是用预先选定的一组相互独立的函数仍( x ) 一坐标函数，将之线 性组合来表示 】，( 石) = a l g o l ( x ) ( 2 1 4 ) i = l 式中，a ；为待定常数。够( x ) 的选取原则是满足全部或部分边界条件，至少满足 几何边界条件，且接近于第f 阶振型函数z ( x ) 。将式( 2 - 1 4 )