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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:蔡方剴
研究生(外文):Fang-Kae Tsai
論文名稱:以有限元素法分析道岔軌枕之反應
論文名稱(外文):Finite Element Analysis for the Sleepers at Railway Crossings
指導教授:潘誠平
指導教授(外文):Chan-Ping Pan
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:營建工程系
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:142
中文關鍵詞:道碴軌道道岔魚雷車軌枕有限元素法結構分析
外文關鍵詞:Railway CrossingsTorpedo CarSleepersFinite Element MethodStructural Analysis
相關次數:
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中鋼鐵水運輸鐵路之全線道岔軌道至今仍使用木軌枕舖設,目前想改換成預力軌枕,以提高其成本效益。
本研究主要以有限元素分析軟體(ANSYS)來建立道岔軌道之雙層離散支承模型,初期以小模型分析為主,旨在局部參數之探討,經過各小模型的探討後,將有助於道岔軌道模型之建立。
魚雷車以每小時12公里之速度行駛於道岔區,其作用於道岔軌道之力,經由動力分析後,可獲得道岔軌枕的剪力值及彎矩值,再由此區的軌枕中,找出最大剪力值及最大彎矩值,以做為軌枕的設計參考,同時一併把扣件的最大軸力值找出。目前在中鋼鐵水運輸鐵路的道岔區有木軌枕之現場監測,將來當預力軌枕安裝時,預計再做一次現場監測,以更進一步的了解道岔軌枕之動力反應。
This study is used for a project which tries to exchange the wood sleepers into concrete sleepers in China Steel.
The package ANSYS is used for the finite element analys is to establish a model of the railway crossings. A discrete double layer model of the foundation is included. A series of parametric studies were performed first to get reasonable data for the complicated crossing system. Also, a big model for the entire crossing was established.
The speed of torpedo car is approximately at 12 km/hr. Through the static and dynamic analyses, the moments and shears in the sleepers and axial forces in the fasteners were obtained. Those data are used for the design of sleeper. Also, a monitoring system uses the digital cameras are established in the field to get the corresponding responses of crossing systems. Those data can be used to verify and modify the numerical model.
目 錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
誌謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
圖表索引 Ⅵ

第一章 緖 論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 研究內容 3
第二章 軌道分析系統之建立 5
2.1 有限元素分析簡介 5
2.2 道碴軌道分析系統之介紹 6
2.2.1 文獻回顧 6
2.2.2 道碴軌道分析系統之模型介紹 7
2.3 道碴軌道分析系統之建立 10
2.3.1 直線段道碴軌道分析系統之建立 10
2.3.2 道岔軌道分析系統之建立 19
2.4 魚雷車系統 20
2.4.1 魚雷車載重資料 20
2.4.2 魚雷車分析模型 21
第三章 軌道分析系統之反應 23
3.1 10m長之軌道分析系統 23
3.1.1 軌枕以梁元素模擬下受單一靜態輪軸力作用的行為 25
3.1.2 軌枕以梁元素模擬下(考慮道碴之摩擦力)受單一靜態輪軸力作用的行為 26
3.1.3 軌枕以實體結構元素模擬下受單一靜態輪軸力作用的行為 27
3.1.4 軌枕以實體結構元素模擬下(考慮道碴之摩擦力)受靜態單一輪軸力作用的行為 28
3.1.5 軌枕以梁元素模擬下(考慮道碴之摩擦力)受單一移動輪軸力作用的行為 28
3.1.6 軌枕以梁元素模擬下(考慮道碴之摩擦力)受聯合力作用時(單一移動輪軸力與平行於鋼軌的縱向水平力)的行為 30
3.2 40m長之軌道分析系統 32
3.2.1 軌枕以梁元素模擬下受靜態魚雷車作用的行為 33
3.2.2 軌枕以梁元素模擬下受十二個靜態輪軸力作用的行為 34
3.2.3 軌枕以梁元素模擬下受十二個移動輪軸力作用的行為 35
第四章 道岔軌道分析系統之反應 56
4.1 魚雷車行駛於道岔軌道之直線區 56
4.1.1 魚雷車行駛於道岔軌道之直線區時的軌枕Z向位移反應 58
4.1.2 魚雷車行駛於道岔軌道之直線區時的扣件軸力反應 58
4.1.3 魚雷車行駛於道岔軌道之直線區時的軌枕剪力反應 58
4.1.4 魚雷車行駛於道岔軌道之直線區時的軌枕彎矩反應 59
4.2 魚雷車行駛於道岔軌道之曲線區 59
4.2.1 魚雷車行駛於道岔軌道之曲線區時的軌枕Z向位移反應 60
4.2.2 魚雷車行駛於道岔軌道之曲線區時的扣件軸力反應 61
4.2.3 魚雷車行駛於道岔軌道之曲線區時的軌枕剪力反應 61
4.2.4 魚雷車行駛於道岔軌道之曲線區時的軌枕彎矩反應 62
4.3 道岔軌枕現場監測 62
第五章 結論與建議 135
5.1 結論 135
5.2 建議 139
參考文獻 140


圖表索引
圖 2 - 1 道碴軌道結構示意圖 8
圖 2 - 2 軌道模型分類圖 9
圖 2 - 3 直線段道碴軌道分析系統 10
圖 2 - 4 軌道系統之組成元件圖 11
圖 2 - 5 道岔軌道分析系統 19
圖 2 - 6 魚雷車照片 21
圖 2 - 7 魚雷車模型一 21
圖 2 - 8 魚雷車模型二 22
圖 3 - 1 10M長的直線段軌道模型 40
圖 3 - 2 40M長的直線段軌道模型 41
圖 3 - 3 CASE1中央處軌枕(梁元素)Z向位移 41
圖 3 - 4 CASE1中央處軌枕(梁元素)剪力 42
圖 3 - 5 CASE1中央處軌枕(梁元素)彎矩 42
圖 3 - 6 CASE2中央處軌枕(梁元素)Z向位移 43
圖 3 - 7 CASE2中央處軌枕(梁元素)剪力 43
圖 3 - 8 CASE2中央處軌枕(梁元素)彎矩 44
圖 3 - 9 CASE3中央處軌枕(實體元素)Z向位移 44
圖 3 - 10 CASE4中央處軌枕(實體元素)Z向位移 45
圖 3 - 11 CASE5中央處軌枕(梁元素)Z向位移 45
圖 3 - 12 CASE5中央處軌枕(梁元素)Z向剪力 46
圖 3 - 13 CASE5中央處軌枕(梁元素)X向彎矩 46
圖 3 - 14 CASE5中央處扣件軸力 47
圖 3 - 15 CASE5中央處軌枕(梁元素)Z向彎矩 47
圖 3 - 16 CASE5中央處軌枕(梁元素)扭矩 48
圖 3 - 17 CASE5中央處軌枕(梁元素)軸力 48
圖 3 - 18 CASE5中央處軌枕(梁元素)X向剪力 49
圖 3 - 19 CASE6中央處軌枕(梁元素)Z向位移 49
圖 3 - 20 CASE6中央處軌枕(梁元素)Z向剪力 50
圖 3 - 21 CASE6中央處軌枕(梁元素)X向彎矩 50
圖 3 - 22 CASE6中央處軌枕(梁元素)Z向彎矩 51
圖 3 - 23 CASE6中央處軌枕(梁元素)X向剪力 51
圖 3 - 24 CASE6中央處扣件軸力 52
圖 3 - 25 CASE8中央處軌枕(梁元素)Z向位移 52
圖 3 - 26 CASE8中央處軌枕(梁元素)剪力 53
圖 3 - 27 CASE8中央處軌枕(梁元素)彎矩 53
圖 3 - 28 CASE9中央處軌枕(梁元素)Z向位移 54
圖 3 - 29 CASE9中央處軌枕(梁元素)剪力 54
圖 3 - 30 CASE9中央處軌枕(梁元素)彎矩 55
圖 3 - 31 CASE9中央處扣件軸力 55
圖 4 - 1 道岔軌道模型 68
圖 4 - 2 CASE10第34號軌枕之Z向位移(魚雷車行駛於直線區) 68
圖 4 - 3 CASE10第35號軌枕之Z向位移(魚雷車行駛於直線區) 69
圖 4 - 4 CASE10第36號軌枕之Z向位移(魚雷車行駛於直線區) 69
圖 4 - 5 CASE10第37號軌枕之Z向位移(魚雷車行駛於直線區) 70
圖 4 - 6 CASE10第38號軌枕之Z向位移(魚雷車行駛於直線區) 70
圖 4 - 7 CASE10第39號軌枕之Z向位移(魚雷車行駛於直線區) 71
圖 4 - 8 CASE10第40號軌枕之Z向位移(魚雷車行駛於直線區) 71
圖 4 - 9 CASE10第41號軌枕之Z向位移(魚雷車行駛於直線區) 72
圖 4 - 10 CASE10第42號軌枕之Z向位移(魚雷車行駛於直線區) 72
圖 4 - 11 CASE10第43號軌枕之Z向位移(魚雷車行駛於直線區) 73
圖 4 - 12 CASE10第44號軌枕之Z向位移(魚雷車行駛於直線區) 73
圖 4 - 13 CASE10第45號軌枕之Z向位移(魚雷車行駛於直線區) 74
圖 4 - 14 CASE10第46號軌枕之Z向位移(魚雷車行駛於直線區) 74
圖 4 - 15 CASE10第47號軌枕之Z向位移(魚雷車行駛於直線區) 75
圖 4 - 16 CASE10第48號軌枕之Z向位移(魚雷車行駛於直線區) 75
圖 4 - 17 CASE10第49號軌枕之Z向位移(魚雷車行駛於直線區) 76
圖 4 - 18 CASE10第34號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於直線區) 76
圖 4 - 19 CASE10第35號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於直線區) 77
圖 4 - 20 CASE10第36號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於直線區) 77
圖 4 - 21 CASE10第37號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於直線區) 78
圖 4 - 22 CASE10第38號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於直線區) 78
圖 4 - 23 CASE10第39號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於直線區) 79
圖 4 - 24 CASE10第40號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於直線區) 79
圖 4 - 25 CASE10第41號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於直線區) 80
圖 4 - 26 CASE10第42號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於直線區) 80
圖 4 - 27 CASE10第43號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於直線區) 81
圖 4 - 28 CASE10第44號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於直線區) 81
圖 4 - 29 CASE10第45號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於直線區) 82
圖 4 - 30 CASE10第46號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於直線區) 82
圖 4 - 31 CASE10第47號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於直線區) 83
圖 4 - 32 CASE10第48號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於直線區) 83
圖 4 - 33 CASE10第49號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於直線區) 84
圖 4 - 34 CASE10第34號軌枕剪力(魚雷車行駛於直線區) 84
圖 4 - 35 CASE10第35號軌枕剪力(魚雷車行駛於直線區) 85
圖 4 - 36 CASE10第36號軌枕剪力(魚雷車行駛於直線區) 85
圖 4 - 37 CASE10第37號軌枕剪力(魚雷車行駛於直線區) 86
圖 4 - 38 CASE10第38號軌枕剪力(魚雷車行駛於直線區) 86
圖 4 - 39 CASE10第39號軌枕剪力(魚雷車行駛於直線區) 87
圖 4 - 40 CASE10第40號軌枕剪力(魚雷車行駛於直線區) 87
圖 4 - 41 CASE10第41號軌枕剪力(魚雷車行駛於直線區) 88
圖 4 - 42 CASE10第42號軌枕剪力(魚雷車行駛於直線區) 88
圖 4 - 43 CASE10第43號軌枕剪力(魚雷車行駛於直線區) 89
圖 4 - 44 CASE10第44號軌枕剪力(魚雷車行駛於直線區) 89
圖 4 - 45 CASE10第45號軌枕剪力(魚雷車行駛於直線區) 90
圖 4 - 46 CASE10第46號軌枕剪力(魚雷車行駛於直線區) 90
圖 4 - 47 CASE10第47號軌枕剪力(魚雷車行駛於直線區) 91
圖 4 - 48 CASE10第48號軌枕剪力(魚雷車行駛於直線區) 91
圖 4 - 49 CASE10第49號軌枕剪力(魚雷車行駛於直線區) 92
圖 4 - 50 CASE10第34號軌枕彎矩(魚雷車行駛於直線區) 92
圖 4 - 51 CASE10第35號軌枕彎矩(魚雷車行駛於直線區) 93
圖 4 - 52 CASE10第36號軌枕彎矩(魚雷車行駛於直線區) 93
圖 4 - 53 CASE10第37號軌枕彎矩(魚雷車行駛於直線區) 94
圖 4 - 54 CASE10第38號軌枕彎矩(魚雷車行駛於直線區) 94
圖 4 - 55 CASE10第39號軌枕彎矩(魚雷車行駛於直線區) 95
圖 4 - 56 CASE10第40號軌枕彎矩(魚雷車行駛於直線區) 95
圖 4 - 57 CASE10第41號軌枕彎矩(魚雷車行駛於直線區) 96
圖 4 - 58 CASE10第42號軌枕彎矩(魚雷車行駛於直線區) 96
圖 4 - 59 CASE10第43號軌枕彎矩(魚雷車行駛於直線區) 97
圖 4 - 60 CASE10第44號軌枕彎矩(魚雷車行駛於直線區) 97
圖 4 - 61 CASE10第45號軌枕彎矩(魚雷車行駛於直線區) 98
圖 4 - 62 CASE10第46號軌枕彎矩(魚雷車行駛於直線區) 98
圖 4 - 63 CASE10第47號軌枕彎矩(魚雷車行駛於直線區) 99
圖 4 - 64 CASE10第48號軌枕彎矩(魚雷車行駛於直線區) 99
圖 4 - 65 CASE10第49號軌枕彎矩(魚雷車行駛於直線區) 100
圖 4 - 66 CASE11第34號軌枕Z向位移(魚雷車行駛於曲線區) 100
圖 4 - 67 CASE11第35號軌枕Z向位移(魚雷車行駛於曲線區) 101
圖 4 - 68 CASE11第36號軌枕Z向位移(魚雷車行駛於曲線區) 101
圖 4 - 69 CASE11第37號軌枕Z向位移(魚雷車行駛於曲線區) 102
圖 4 - 70 CASE11第38號軌枕Z向位移(魚雷車行駛於曲線區) 102
圖 4 - 71 CASE11第39號軌枕Z向位移(魚雷車行駛於曲線區) 103
圖 4 - 72 CASE11第40號軌枕Z向位移(魚雷車行駛於曲線區) 103
圖 4 - 73 CASE11第41號軌枕Z向位移(魚雷車行駛於曲線區) 104
圖 4 - 74 CASE11第34號軌枕Z向位移(魚雷車行駛於曲線區) 104
圖 4 - 75 CASE11第43號軌枕Z向位移(魚雷車行駛於曲線區) 105
圖 4 - 76 CASE11第44號軌枕Z向位移(魚雷車行駛於曲線區) 105
圖 4 - 77 CASE11第45號軌枕Z向位移(魚雷車行駛於曲線區) 106
圖 4 - 78 CASE11第46號軌枕Z向位移(魚雷車行駛於曲線區) 106
圖 4 - 79 CASE11第47號軌枕Z向位移(魚雷車行駛於曲線區) 107
圖 4 - 80 CASE11第48號軌枕Z向位移(魚雷車行駛於曲線區) 107
圖 4 - 81 CASE11第49號軌枕Z向位移(魚雷車行駛於曲線區) 108
圖 4 - 82 CASE11第34號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於曲線區) 108
圖 4 - 83 CASE11第35號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於曲線區) 109
圖 4 - 84 CASE11第36號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於曲線區) 109
圖 4 - 85 CASE11第37號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於曲線區) 110
圖 4 - 86 CASE11第38號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於曲線區) 110
圖 4 - 87 CASE11第39號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於曲線區) 111
圖 4 - 88 CASE11第40號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於曲線區) 111
圖 4 - 89 CASE11第41號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於曲線區) 112
圖 4 - 90 CASE11第42號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於曲線區) 112
圖 4 - 91 CASE11第43號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於曲線區) 113
圖 4 - 92 CASE11第44號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於曲線區) 113
圖 4 - 93 CASE11第45號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於曲線區) 114
圖 4 - 94 CASE11第46號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於曲線區) 114
圖 4 - 95 CASE11第47號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於曲線區) 115
圖 4 - 96 CASE11第48號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於曲線區) 115
圖 4 - 97 CASE11第49號軌枕之扣件軸力(魚雷車行駛於曲線區) 116
圖 4 - 98 CASE11第34號軌枕剪力(魚雷車行駛於曲線區) 116
圖 4 - 99 CASE11第35號軌枕剪力(魚雷車行駛於曲線區) 117
圖 4 - 100 CASE11第36號軌枕剪力(魚雷車行駛於曲線區) 117
圖 4 - 101 CASE11第37號軌枕剪力(魚雷車行駛於曲線區) 118
圖 4 - 102 CASE11第38號軌枕剪力(魚雷車行駛於曲線區) 118
圖 4 - 103 CASE11第39號軌枕剪力(魚雷車行駛於曲線區) 119
圖 4 - 104 CASE11第40號軌枕剪力(魚雷車行駛於曲線區) 119
圖 4 - 105 CASE11第41號軌枕剪力(魚雷車行駛於曲線區) 120
圖 4 - 106 CASE11第42號軌枕剪力(魚雷車行駛於曲線區) 120
圖 4 - 107 CASE11第43號軌枕剪力(魚雷車行駛於曲線區) 121
圖 4 - 108 CASE11第44號軌枕剪力(魚雷車行駛於曲線區) 121
圖 4 - 109 CASE11第45號軌枕剪力(魚雷車行駛於曲線區) 122
圖 4 - 110 CASE11第46號軌枕剪力(魚雷車行駛於曲線區) 122
圖 4 - 111 CASE11第47號軌枕剪力(魚雷車行駛於曲線區) 123
圖 4 - 112 CASE11第48號軌枕剪力(魚雷車行駛於曲線區) 123
圖 4 - 113 CASE11第49號軌枕剪力(魚雷車行駛於曲線區) 124
圖 4 - 114 CASE11第34號軌枕彎矩(魚雷車行駛於曲線區) 124
圖 4 - 115 CASE11第35號軌枕彎矩(魚雷車行駛於曲線區) 125
圖 4 - 116 CASE11第36號軌枕彎矩(魚雷車行駛於曲線區) 125
圖 4 - 117 CASE11第37號軌枕彎矩(魚雷車行駛於曲線區) 126
圖 4 - 118 CASE11第38號軌枕彎矩(魚雷車行駛於曲線區) 126
圖 4 - 119 CASE11第39號軌枕彎矩(魚雷車行駛於曲線區) 127
圖 4 - 120 CASE11第40號軌枕彎矩(魚雷車行駛於曲線區) 127
圖 4 - 121 CASE11第41號軌枕彎矩(魚雷車行駛於曲線區) 128
圖 4 - 122 CASE11第42號軌枕彎矩(魚雷車行駛於曲線區) 128
圖 4 - 123 CASE11第43號軌枕彎矩(魚雷車行駛於曲線區) 129
圖 4 - 124 CASE11第44號軌枕彎矩(魚雷車行駛於曲線區) 129
圖 4 - 125 CASE11第45號軌枕彎矩(魚雷車行駛於曲線區) 130
圖 4 - 126 CASE11第46號軌枕彎矩(魚雷車行駛於曲線區) 130
圖 4 - 127 CASE11第47號軌枕彎矩(魚雷車行駛於曲線區) 131
圖 4 - 128 CASE11第48號軌枕彎矩(魚雷車行駛於曲線區) 131
圖 4 - 129 CASE11第49號軌枕彎矩(魚雷車行駛於曲線區) 132
圖 4 - 130 中鋼鐵水運輸鐵路-道岔段(變形前) 133
圖 4 - 131 魚雷車行駛於道岔直線區(變形後) 133
圖 4 - 132 由DRKM計算木軌枕彎矩圖 134
圖 4 - 133 由DRKM計算木軌枕剪力圖 134
表 2 - 1 雙層離散道碴模型參數 18
表 3 - 1 CASE1與CASE2之反應值比較 37
表 3 - 2 CASE2與CASE5之反應值比較 37
表 3 - 3 CASE5與CASE6之反應值比較 38
表 3 - 4 CASE7受魚雷車在不同位置作用時之各鋼輪力量 38
表 3 - 5 各鋼輪之力量(表3-4)與平均鋼輪重(-235031.25N)的誤差百分比 39
表 3 - 6 CASE8與CASE9之反應值比較 40
表 4 - 1 軌枕(34~49號)之Z向最大位移值(魚雷車行駛於直線區) 64
表 4 - 2 34~49號軌枕上扣件的最大軸力值(魚雷車行駛於直線區) 64
表 4 - 3 軌枕(34~49號)之最大剪力值(魚雷車行駛於直線區) 65
表 4 - 4 軌枕(34~49號)之最大彎矩值(魚雷車行駛於直線區) 65
表 4 - 5 軌枕(34~49號)之Z向最大位移值(魚雷車行駛於曲線區) 66
表 4 - 6 34~49號軌枕上扣件的最大軸力值(魚雷車行駛於曲線區) 66
表 4 - 7 軌枕(34~49號)之最大剪力值(魚雷車行駛於曲線區) 67
【1】Cook, R.D. and Young, W.C., “Advanced Mechanics of Materials” (1985)
【2】Hou, K., Kalousek, J. and Dong, R., “A dynamic model for an asymmetrical vehicle/track system”, Journal of Sound and Vibration, 267, 591-604 (2003)
【3】Zhai, W.M., Wang, K.Y., and Lin, J.H., “Modeling and experiment of railway ballast vibrations”, Journal of Sound and Vibration”, 270, 673-683 (2004)
【4】ANSYS User’s Manual, Swanson Analysis System, Inc.
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