车辆段振动传播三维衰减规律有限元建模方法和系统

本发明涉及结构工程振动分析，尤其涉及一种车辆段振动传播三维衰减规律有限元建模方法和系统。

背景技术：

1、随着城市轨道交通的快速发展，车辆段上盖物业开发已成为城市土地集约化利用的重要方式。车辆段是指城市轨道交通列车停放、检修及调度的场所，其上方通过建设结构转换层承载住宅、商业及办公等功能的建筑群，形成上盖开发模式。然而，列车在车辆段内运行时产生的振动会沿结构路径向上传播，对上盖建筑的居住舒适性和结构安全性产生不利影响。因此，准确预测和评估振动在车辆段结构中的三维传播及衰减规律，对于指导减振隔振设计具有重要的工程意义。

2、目前，针对车辆段振动传播问题的研究方法主要包括现场实测法和数值仿真法。现场实测法能够直接获取振动数据，但受制于测点布置的局限性，难以全面反映振动在三维空间中的传播特征。在数值仿真方法方面，现有的有限元建模方案主要存在以下不足：

3、其一，现有方案通常采用简化的二维平面模型或单一激振源假设。在实际工程中，车辆段结构同时承受列车运行产生的结构直接传导振动和通过地层传播的间接振动，两者在隔振支座底部产生叠加耦合效应，现有方案未能充分考虑该多源耦合特征，导致激振荷载的施加与实际工况存在偏差。

4、其二，现有方案在处理隔振支座的力学行为时，通常将其简化为线性弹簧模型，未能结合多个结构柱位置处的竖向振动输入差异描述隔振支座的压缩耗能过程，使得隔振环节对多点竖向振动耦合影响的计算缺乏精细化。

5、其三，现有方案在模拟振动沿多层楼板逐层衰减时，往往忽略了相邻楼层间结构刚度差异所导致的跨层反射耗能现象，未能建立基于楼层刚度突变的振动传递系数模型，使得仿真结果与实际工程中的振动衰减规律存在较大偏差；同时，现有方案对振动在楼层内部传播过程中因材料内部摩擦引起的阻尼耗能机制描述不足，未将界面反射耗能与材料阻尼耗能进行协同建模。

6、基于此，如何建立能够准确反映车辆段振动三维传播与逐层衰减规律的有限元模型，成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中车辆段振动传播建模方法存在的激振源耦合不充分、隔振支座力学行为描述不精细、逐层衰减模拟不准确以及材料阻尼耗能机制缺失等技术缺陷，提供一种车辆段振动传播三维衰减规律有限元建模方法和系统。

2、第一方面，本发明提供了一种车辆段振动传播三维衰减规律有限元建模方法，包括：

3、获取车辆段的轨道系统、结构柱、隔振支座及上盖楼板的三维节点分布；

4、基于三维节点分布建立弹性介质单元，利用隔振支座的受力变形与耗能属性连接弹性介质单元，生成初始拓扑网格；

5、将轮轨接触压力经由结构路径向上传导生成列车结构动力，将地层振动波形沿地基路径向上扩散生成地层激振动力，在隔振支座底端对列车结构动力与地层激振动力进行波形叠加，生成叠加振动作用力；

6、根据多个结构柱对应隔振支座的竖向压缩刚度折减模型，分别确定各柱位的竖向压缩承载力，并对所述叠加振动作用力进行竖向能量损耗计算，获取多点耦合后的剩余振动作用力；

7、将剩余振动作用力施加于上盖楼板的底面节点上，按照波阻抗反射理论基于相邻楼层弯曲刚度计算楼层间的振动传递系数；

8、沿楼层高度上升方向应用楼层间的振动传递系数对剩余振动作用力逐层进行能量削减计算，生成振动衰减序列；

9、将振动衰减序列注入初始拓扑网格，更新生成目标有限元动力响应模型以完成建模。

10、可选地，将轮轨接触压力经由结构路径向上传导生成列车结构动力，将地层振动波形沿地基路径向上扩散生成地层激振动力，在隔振支座底端对列车结构动力与地层激振动力进行波形叠加，生成叠加振动作用力，包括：将轮轨接触压力转化为沿列车轨迹移动的离散节点下压力，使离散节点下压力依次沿底板和结构柱向上传导，生成空间上行的列车结构动力；提取所述地层振动波形中的竖向激振分量，使所述竖向激振分量从地层边界穿透地基并沿多个结构柱对应的竖向传播路径向上传导，生成空间上行的地层激振动力；在初始拓扑网格内追踪列车结构动力与地层激振动力的同向上行传导趋势，依据同向上行传导趋势定位两者在隔振支座底端的力学交汇面，在力学交汇面的应力集中节点上对同时间的物理振幅进行波形叠加，生成叠加振动作用力。

11、可选地，按照波阻抗反射理论基于相邻楼层弯曲刚度计算楼层间的振动传递系数，包括：分别获取上盖楼板的当前层楼板弯曲刚度以及相邻的上层楼板弯曲刚度；提取剩余振动作用力在当前楼层内的振动穿透速度；基于当前层楼板弯曲刚度、振动穿透速度以及当前层楼板物理参数计算当前层波阻抗，基于上层楼板弯曲刚度、振动穿透速度以及上层楼板物理参数计算上层波阻抗；基于当前层波阻抗与上层波阻抗之间的差值与和值之比，确定楼层交界面的反射系数，将反射系数的平方作为振动能量跨越楼层交界面时触发的跨层反射耗能比例；将跨层反射耗能比例的补数作为能量透射系数，并将能量透射系数确定为楼层间的振动传递系数。

12、可选地，根据多个结构柱对应隔振支座的竖向压缩刚度折减模型，分别确定各柱位的竖向压缩承载力，并对所述叠加振动作用力进行竖向能量损耗计算，获取多点耦合后的剩余振动作用力，包括：在多个结构柱对应的隔振支座底端分别提取所述叠加振动作用力的初始竖向分量；根据各结构柱的空间位置、柱体等效竖向刚度、竖向传播时延和相位差确定各柱位的竖向耦合权重，并依据所述竖向耦合权重对多个初始竖向分量进行加权叠加，生成多点耦合竖向输入分量；将所述压缩刚度折减模型的弹性极限力确定为各柱位隔振支座进入刚度折减阶段的竖向压缩承载力判断阈值，根据所述压缩刚度折减模型的竖向初始刚度、弹性极限力和折减后刚度构建分段线性力位移关系，基于所述分段线性力位移关系计算各柱位隔振支座的竖向压缩恢复力，并对所述多点耦合竖向输入分量进行支撑刚度折算，扣减所述多点耦合竖向输入分量的竖向动能，生成剩余竖向分量；将各柱位对应的剩余竖向分量按照所述竖向耦合权重映射至上盖楼板底面节点，合成多点耦合后的剩余振动作用力。

13、可选地，将振动衰减序列注入初始拓扑网格，更新生成目标有限元动力响应模型以完成建模，包括：提取振动衰减序列中对应各楼层节点的节点位移振幅极值与节点振动响应时程；在初始拓扑网格中定位对应各楼层节点的弹性介质单元，将节点位移振幅极值关联至弹性介质单元的节点位移响应允许范围；在所有楼层节点的位移响应允许范围与节点动力学输出记录均完成关联后，将关联完成状态的初始拓扑网格固化为目标有限元动力响应模型。可选地，以楼层间的振动传递系数约束剩余振动作用力进行逐层演化，生成振动衰减序列，包括：将剩余振动作用力作为最底层上盖楼板的首层输入激振力；沿楼层高度上升方向，利用当前楼层对应的楼层间的振动传递系数对首层输入激振力进行跨层能量削减，生成到达当前楼板表面的楼层节点振幅；将楼层节点振幅作为向上一楼层传递的上层输入激振力，沿楼层高度上升方向逐层重复振动传递与能量削减动作直至最高楼层，获取各楼层的楼层节点振幅；按照楼层升高顺序依次组合各楼层的楼层节点振幅，构成振动衰减序列。

14、可选地，沿楼层高度上升方向应用楼层间的振动传递系数对剩余振动作用力逐层进行能量削减计算，生成振动衰减序列，包括：将剩余振动作用力作为最底层上盖楼板的首层输入激振力；沿楼层高度上升方向，利用当前楼层对应的楼层间的振动传递系数对首层输入激振力进行跨层能量削减，生成到达当前楼板表面的楼层节点振幅；将楼层节点振幅作为向上一楼层传递的上层输入激振力，沿楼层高度上升方向逐层重复振动传递与能量削减动作直至最高楼层，获取各楼层的楼层节点振幅；按照楼层升高顺序依次组合各楼层的楼层节点振幅，构成振动衰减序列。

15、第二方面，本发明提供了一种车辆段振动传播三维衰减规律有限元建模系统，包括：

16、获取模块，用于获取车辆段的轨道系统、结构柱、隔振支座及上盖楼板的三维节点分布；生成模块，用于基于三维节点分布建立弹性介质单元，利用隔振支座的受力变形与耗能属性连接弹性介质单元，生成初始拓扑网格；生成模块还用于将轮轨接触压力经由结构路径向上传导生成列车结构动力，将地层振动波形沿地基路径向上扩散生成地层激振动力，在隔振支座底端对列车结构动力与地层激振动力进行波形叠加，生成叠加振动作用力；提取模块，用于根据多个结构柱对应隔振支座的竖向压缩刚度折减模型，分别确定各柱位的竖向压缩承载力，并对所述叠加振动作用力进行竖向能量损耗计算，获取多点耦合后的剩余振动作用力；提取模块还用于将剩余振动作用力施加于上盖楼板的底面节点上，按照波阻抗反射理论基于相邻楼层弯曲刚度计算楼层间的振动传递系数；演化模块，用于沿楼层高度上升方向应用楼层间的振动传递系数对剩余振动作用力逐层进行能量削减计算，生成振动衰减序列；更新模块，用于将振动衰减序列注入初始拓扑网格，更新生成目标有限元动力响应模型以完成建模。

17、第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序时实现上述车辆段振动传播三维衰减规律有限元建模方法的步骤。

18、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时能够实现上述车辆段振动传播三维衰减规律有限元建模方法。

19、实施本发明提供的技术方案，具有以下有益效果：

20、第一，本发明通过将列车结构动力与地层激振动力在隔振支座底部进行波形叠加，实现了多源激振的耦合建模，相较于现有技术中仅考虑单一激振源的简化方法，能够更加真实地反映车辆段结构所承受的实际振动工况，提升了建模的物理保真度。

21、第二，本发明通过分别提取多个结构柱对应隔振支座的竖向压缩承载力，并结合各柱位竖向振动的幅值、传播时延和相位差进行多点耦合计算，能够准确模拟竖向振动经不同结构柱向上传播时的叠加影响，克服了现有技术中将隔振支座简化为单点线性弹簧所带来的仿真精度不足的问题。

22、第三，本发明基于相邻楼层刚度差异提取跨层反射耗能比例，并以此约束振动作用力进行逐层演化生成振动衰减序列，能够精确刻画振动能量在多层楼板结构中的逐层衰减规律；同时，本发明协同引入材料阻尼耗能机制，将楼层间界面反射耗能与楼层内部材料阻尼耗能融合计算，弥补了现有技术忽略楼层间刚度突变以及材料阻尼对振动传播影响的缺陷，为上盖建筑的减振优化设计提供了更加可靠的仿真依据。