城市道桥与防洪
2019年5月第5期
摘
要：列车通过桥梁时产生巨大的振动，车致桥梁振动通过支座传递至桥墩，
再通过桥墩传递至地基及周围环境引发环境的振动污染。采用ANSYS 和UM 软件建立车线桥耦合振动大系统进行车桥耦合联合仿真，
计算得到与支座连接处的梁底和桥墩在分别使用普通球型支座和新型减振球型支座时的动力响应数据。结果一致表明：采用减振球型支座时桥梁上部车致振动传递至桥墩时起到明显的隔振效果；
关键词：车桥耦合振动；联合仿真分析；减振支座；动力响应；减隔振中图分类号：U239.5
文献标志码：B
文章编号：1009-7716（2019）05-0241-04
基于ANSYS-UM 联合仿真的减振支座
减隔振性能研究
正则化算法调用
收稿日期：2019-01-11
作者简介：梁文伟（1991—），男，在读研究生，从事车桥耦合振动仿真、轨道交通减振降噪研究工作。
梁文伟1，2，钟玉平1，2，王勇1，
2
（1.中国船舶重工集团公司第725研究所，河南洛阳471000；2.洛阳双瑞特种装备有限公司，河南洛阳471000）DOI:10.16799/jki.csdqyfh.2019.05.066
1概述
当车辆以一定速度通过桥梁时，使桥梁产生
振动、冲击等动力效应，
而桥梁的振动又反过来影响车辆的振动，这种相互作用、
相互影响的问题，就是车辆与桥梁之间的耦合振动问题[1]。车辆动力作用引起桥梁上部结构的振动可能使结构构件产
生疲劳，降低其强度和稳定性；
桥梁振动过大可能会对桥上车辆的运行安全和稳定性产生影响[2]；并且随着近年我国经济的飞速发展，车辆运行速度
大大提高，桥梁结构趋于大跨化、
轻型化，使车桥耦合振动问题日益突出，因此分析影响车桥耦合振动的因素越来越受到工程界的重视[3]。
随着桥梁现代化建设的不断发展，对桥梁自身的可靠性要求越来越高，而其减振和抗冲击性能是其中非常重要的指标[4~5]。
建立车线桥耦合振动大系统，并分别模拟普通球型支座和减振支座对桥墩墩顶振动的影响，得到插入损失，振级落差等衡量减振支座减隔振效果的核心数据。
本文使用通用有限元软件ANSYS 和多体动力
学软件UM 进行车桥耦合联合仿真分析，
充分利用ANSYS 软件在有限元建模以及UM 在车辆建模、
动力计算方面的强大优势，使整个仿真计算过程更加贴合工程实际。
本文的主要研究工作包括以下内容：（1）使用UM 软件进行车辆建模。建立轮对、转向架、建立车体并分别与转向架进行连接。
（2）使用ANSYS 软件分别建立桥梁梁体、
桥墩等柔性体有限元模型。
（3）桥梁、桥墩有限元模型的正则化。调用UM-ANSYS 接口程序实现有限元模型从ANSYS 软件导入UM 软件。
（4）在UM input 前处理界面对模型施加力元和铰模拟支座、桥墩下端土弹簧等约束。
（5）进入UM simulation 后处理界面进行动力计算前各种工况设置。比如：车辆速度及行驶模
式；线路模式；求解算法的选择；
轨道长度、轨道型面；车轮踏面；采用何种不平顺谱等。设置好后开始计算。
（6）仿真结果数据的提取、
处理和进一步分析。
2模型的建立
2.1车辆模型
车辆模型是由车体、转向架、
和轮对三部分组成。它们之间通过弹簧阻尼器连接，
形成一个多自科技研究241
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由度的振动体系。车辆物理模型示意见图1。
在UM 软件中进行车辆的整体建模：
（1）轮对及转向架建模（见图2）。
（2）车辆整体建模见图3，参数见表1。
2.2桥梁模型
在ANSYS 里边分别建立梁体、桥墩模型；建
立完成后，采用固定界面下的模态综合法，
选取有限个界面点并进行模态分析以得到桥梁、桥墩的模态信息、质量矩阵、刚度矩阵等。然后调用UM-ANSYS 接口程序，对有限元模型进行模态正
则化以便成功导入到UM 软件中。最后，
在UM 软件中利用其丰富的力元和铰对桥梁和桥墩、桥墩
和大地土壤之间进行连接和约束。其中：
利用线性力元模拟支座。普通球型支座按支座基频20Hz，减
振支座按支座基频10Hz 设计，见表2、图4、图5。
至此，所有模型已经建立好。下一步进入UM
simulation 后处理界面进行动力仿真计算前各种工况的设置。
3工况设置及动力计算
在动力计算前，先进行各种桥梁、
钢轨、车辆图1车辆模型示意图
图2轮对及转向架模型示意图图3整车模型示意图表1车辆模型参数表
表2桥梁与铁轨模型参数表
图4桥梁、桥墩模型
示意图
符号意义数值M c 车体质量39500kg M t 转向架质量2200kg M w 车轮质量1900kg I cy 车体点头转动惯量  2.312×106kg ·m 2
I ty 转向架点头转动惯量1700kg ·m 2K 1z 一系竖向刚度8.73×105
N/m
K 2z 二系竖向刚度  4.1×105N/m C 1z 一系竖向阻尼  3.0×104N ·s/m C 2z
二系竖向阻尼
1.087×105N ·s/m
符号意义数值L 跨径
30m A b 桥梁的横截面面积  5.6729m 2E b 桥梁的弹性模量34.5GPa I b 桥梁的抗弯惯距  2.9538m 4
γb 桥梁的泊松比0.2D cj 扣件间隔0.6m K cj j 扣件的受拉刚度  3.5×107N/m C cj
扣件的阻尼
1.0×104N ·s/m K ya
铁轨与主梁的每米挤压刚度
4.554×109
N/m
图5车-线-桥整体模型示意图
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等所需的工况设置。这个步骤在UM simulation中
进行。
（1）求解算法
UM软件中的求解器有很多类型，比如PARK
算法、BDF算法、AMB算法、PARK Parallel算法等。
其中，经过大量工程实践证明，PARK Parallel算法
最适宜用于车桥耦合仿真计算。这里我们就选择
PARK Parallel算法。
（2）轨道设置
在选择柔性轨道的基础上，设置轨道为直线
型，长度为500m。定义钢轨材料参数及钢轨型面。
其中，钢轨型面采用中国60kg钢轨。最后定义不
平顺谱，采用中国高速铁路不平顺谱。
（3）车轮踏面设置
车轮踏面采用中国LMA踏面。
（4）车辆速度设置
车辆速度模式选择恒定车速，并设置车速为
72km/h。
4动力计算和数据提取
UM软件支持计算过程动态同步分析。我们选
择想要的数据后即可查看同步实时的结果数据。这里，我们选择提取分别采用普通球型支座和减振球型支座时的桥墩墩顶连接处的竖向加速度和与减振支座连接时的桥墩连接点处的竖向加速度。
5减振支座减隔振效果分析
减振、隔振的目的在于减小振动的传递。对于桥梁支座而言，人们比较关心的是采用减振支座后，桥梁上部结构的振动能否有效的得到抑制，振动传到桥墩时已得到最大程度的衰减和控制。目前常用的减隔振效果评价指标有力的传递率、振级减振量、插入损失、振级落差等。一般力的传递率作为减隔振效果的理论预测依据。但是对于实际效果的测定，由于力的传递率不易测得，因而通常采用振级减振量、插入损失和振级落差来评定各种实际系统的减隔振效果。
5.1桥墩响应结果分析
（1）减振支座墩顶和梁底竖向加速度（见图6）其中：曲线1为梁底数竖向加速度；曲线2为墩顶竖向加速度。
（2）减振支座和普通球型支座墩顶竖向加速度（见图7）
其中：曲线1为采用普通球型支座时的墩顶竖向加速度；曲线2为采用减振降噪球型支座时的墩顶竖向加速度。
从图6、图7中可以直观地看出：当采用减振支座时，墩顶的振动响应明显小于采用普通球型支座时的响应；当采用减振支座时，梁上振动经过支座传递桥墩时起到了明显的降低效果。
5.2振级减振量
定义振级减振量=采用普通球型支座的墩顶总振级—采用减振支座的墩顶总振级
为了探讨减振支座的减隔振效果，本文以墩顶和梁底的振动为对象，分析采用减振支座和普通支座时梁体振动传递到桥墩墩顶的振动响应。对墩顶和梁底竖向加速度振动信号用专业测试软件DASP进行1/3倍频程分析，见表3。
由表3可得采用减振支座时相比采用普通球型支座时桥墩墩顶的总振级减振量为13.33dB。
图6采用减振支座时墩顶和梁底竖向加速度时程图
图7采用减振支座和普通球型支座时墩顶竖向加速度时程
图
表31/3倍频程分析总有效值和总极值
（fc：1-1000Hz，计权：线性）
测点号总有效值总级值/dB单位
10.0112481.02m/ss
20.24998107.96m/ss
30.0521894.35m/ss
科技研究243
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5.3插入损失
插入损失：采取减隔振措施前后基础响应的有效值之比的常用对数的20倍。
L D=20lg（a1/a2）
式中：a1为采用普通球型支座时桥墩墩顶加速度的有效值；a2为采用减振支座时桥墩墩顶加速度的有效值。
通过表3数据分析，我们得到采用减振支座时，车辆以72km/h的速度过桥时，桥墩墩顶竖向加速度总有效值为11.24mm/s2。采用普通球型支座时，桥墩墩顶竖向加速度总有效值为52.18mm/s2。计算得出插
入损失L D=13.33dB。减振支座连接桥梁桥墩时桥梁上部竖向振动传递至桥墩后起到明显的减弱效果。
5.4振级落差
振级落差：被隔振设备振动响应的有效值与对应基础响应的有效值之比的常用对数的20倍。
L I=20lg（a1/a2）
式中：a1采用减振支座时梁底竖向加速度有效值；a2采用减振支座时桥墩墩顶的竖向加速度有效值。
通过表3数据分析可得，a1=249.98mm/s2，a2=11.24mm/s2，代入上述公式可得L I=26.9dB。通过插入损失数据可看出，对于包含减振支座的桥梁，车辆以72km/h通过桥梁时，上部梁体的振动通过桥梁支座传递到下部的桥墩得到有效抑制。
6结论
通过ANSYS-UM软件联合仿真，我们建立了车线桥耦合振动大系统，计算得到分别采用普通球型支座和减振支座时桥梁的动力响应数据。经过分析计算可得：
采用减振支座相比采用普通球型支座振级减振量和加速度插入损失达到13.33dB；振级落差达到26.9dB。综合来看，减振支座减隔振效果明显。
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科技研究
科技论文中图、表的使用规范
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3.图中如有数字尺寸，必须在图名后面标明单位，如“（单位：mm）”。
4.表中如有量，要把量的中文及符号写出，同时要把量的单位写出。
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