高速列车车辆–轨道耦合动力学研究综述

摘要

车辆–轨道耦合动力学是高速铁路研究的核心领域，它将车辆系统与轨道结构视为相互影响的整体，突破了传统车辆动力学假设轨道刚性的局限。文章系统阐述了这一理论的基本概念：车辆运行时轨道扰动引发车辆振动，车辆振动又反作用于轨道，形成双向耦合的动力学系统。研究重点包括车辆与轨道的相互作用机制、多体动力学与有限元等典型建模方法，以及该理论在优化车辆悬挂系统、指导轨道设计、降低轮轨噪声等工程实践中的重要价值。

内容框架与概述

文章开篇明义，首先界定了车辆–轨道耦合动力学的核心概念。与传统车辆动力学将轨道视为刚性不动的基础不同，耦合动力学理论强调车辆与轨道在动力上的相互影响。翟婉明院士等人开创性地将二者作为整体系统进行研究，建立了完整的理论框架。文章指出，在真实的高速铁路系统中，轮对系统与轨道系统互为激励源，车辆的振动通过轮轨接触传递给轨道并激发轨道振动，轨道振动反过来又影响车辆的垂向和横向振动，二者本质上处于相互耦合的振动状态。

接着，文章详细解析了车辆系统与轨道系统的相互作用机制。在耦合动力学模型中，车辆系统被简化为车体、车架和轮对三大部分，轨道系统则包括钢轨、轨枕、道床和路基。各部件通过悬挂系统或弹性–阻尼元件连接，具有多个自由度。最关键的交互发生在轮轨接触界面：通过赫兹接触理论计算法向接触力，利用非线性蠕滑理论求解切向力。这种双向耦合作用——车体振动经转向架传递至轮对，轮对作用于钢轨，钢轨和轨枕的弹性变形又反作用于车辆——构成了耦合动力学的物理本质。

文章还介绍了三种典型的耦合建模方法：多体系统动力学方法将车辆简化为由刚性部件组成的多刚体系统，便于模拟悬挂非线性和轮轨接触动态；有限元方法对轨道结构进行精细建模，能准确反映结构和材料属性；混合方法则结合两者优势，适用于复杂场景。每种方法都有其适用范围和优缺点，在工程实践中需要根据具体问题选择合适的建模策略。

最后，文章强调了耦合动力学理论在工程实践中的重要意义。这一理论为优化车辆悬挂系统参数设计、指导轨道结构参数选择、降低轮轨噪声和振动提供了科学依据。特别是在高速化背景下，耦合分析能更客观地反映铁路系统的本质，对保障行车安全、提高运行平稳性、延长设备使用寿命具有重要价值。

核心概念及解读

车辆–轨道耦合动力学：研究列车与轨道结构在动力上相互影响的学科范畴。其核心在于突破传统车辆动力学将轨道视为刚性基础的假设，将车辆和轨道视为一个整体系统来研究二者的双向振动耦合关系。

轮轨接触界面：车辆与轨道系统交互的最关键位置。通过赫兹接触理论计算法向接触力（轮轨间的垂直压力），利用非线性蠕滑理论求解切向力（牵引力和制动力），实现车辆与轨道之间的力学传递。

多体系统动力学（MBS）：一种将车辆简化为由多个刚性部件通过弹簧–阻尼连接的建模方法。该方法便于模拟车辆悬挂系统的非线性特性及轮轨接触动态，是耦合动力学研究中的重要工具。

有限元方法（FEM）：对轨道结构乃至车辆车体进行精细建模的方法。通过梁单元、壳单元或实体单元离散化弹性力学性质，能够准确反映真实的结构和材料属性，便于分析结构固有频率和模态振型。

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