Phân tích ứng xử động của tàu cao tốc bằng mô hình 3 d sử dụng phương pháp phần tử chuyển động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
--------------------

BÙI VĂN NHỰT

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ ĐỘNG CỦA TÀU CAO TỐC BẰNG MƠ
HÌNH 3-D SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ CHUYỂN
ĐỘNG
Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã số ngành

: 60 58 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp.HCM, 12 - 2014


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:
Cán bộ hướng dẫn: TS. Lương Văn Hải

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Đỗ Kiến Quốc

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Văn Hiếu

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa
Tp.HCM, ngày 23 tháng 01 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. Nguyễn Sỹ Lâm (Chủ tịch hội đồng)
2. PGS. TS Đỗ Kiến Quốc (Phản biện 1)
3. TS. Nguyễn Văn Hiếu (Phản biện 2)
4. TS. Đào Đình Nhân (Thành viên)
5. TS. Nguyễn Hồng Ân (Thư ký)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: BÙI VĂN NHỰT

MSHV: 13213088

Ngày, tháng, năm sinh: 10/09/1990

Nơi sinh: Bình Định

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 605820
I. TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích ứng xử động của tàu cao tốc bằng mơ hình 3-D sử
dụng phần tử chuyển động
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. Thiết lập mơ hình tính tốn 3-D tàu cao tốc sử dụng phương pháp phần tử chuyển
động MEM (Moving Element Method).
2. Phát triển thuật toán, sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab để giải hệ phương trình
động tổng thể bài toán.
3. Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính bằng cách so sánh kết quả của chương
trình với kết quả của các bài báo tham khảo.
4. Kết quả của các ví dụ số sẽ đưa ra các kết luận quan trọng về ứng xử động của hệ
thống tàu cao tốc.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 07/07/2014

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 22/12/2014
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Lương Văn Hải
Tp. HCM, ngày... tháng... năm 20….

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TS. Lương Văn Hải
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
(Họ tên và chữ ký)


ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn TS. Lương Văn Hải, người
đã tận tình dẫn dắt và hướng dẫn tơi ngay từ bước đầu làm quen với công việc nghiên
cứu khoa học đến lúc hoàn thành Luận văn Thạc sĩ. Thầy đã khuyên bảo tôi rất nhiều
về cách nhận định đúng đắng các vấn đề nghiên cứu của đề tài và đã hướng dẫn tận
tình, có những lời khun q báu, những kỹ năng làm việc hiệu quả và nguồn tài liệu
giá trị trong suốt thời gian thực hiện Luận văn này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại
học Bách Khoa Tp.HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tơi từ khi
tơi học Đại học và trong suốt khóa Cao học vừa qua.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến NCS. Trần Minh Thi đã có nhiều đóng góp trao đổi
giúp tôi hiểu rõ về bản chất đề tài.
Mặc dù bản thân đã cố gắng nghiên cứu và hoàn thiện, tuy nhiên khơng thể khơng
có những thiếu sót nhất định. Kính mong q Thầy Cơ chỉ dẫn thêm để tơi bổ sung
những kiến thức và hồn thiện bản thân mình hơn.
Xin trân trọng cảm ơn quý Thầy Cô.

Tp. HCM, ngày tháng năm 20

Bùi Văn Nhựt

iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Một trong những nguyên nhân nên tai nạn đối với tàu cao tốc là xuất hiện hiện
tượng mất tương tác giữa ray và bánh xe, do đó hiện tượng này là một đề tài ln được
các nhà khoa học trên thế giới quan tâm và nghiên cứu. Luận văn này sẽ tập trung
phân tích ứng xử động của hệ thống tàu tàu cao tốc bằng mơ hình 3-D và có xét đến
tương tác với hệ ray-đất nền. Phương pháp phần tử chuyển động MEM (Moving
Element Method) được nghiên cứu và phát triển để thực hiện cho các bài tốn phân
tích trong Luận văn này. Các nghiên cứu trước đây thường chỉ xét mơ hình 2-D hệ
thống tàu và hệ ray-nền, nghĩa là các bộ phận của toa tàu gồm thân xe, giá chuyển
hướng, bánh xe chỉ được xét như hệ có các bậc tự do chuyển vị theo phương đứng.
Đồng thời, hệ đất nền dưới ray chỉ được xét độ cứng và độ cản theo phương đứng,
trong đó bỏ qua ảnh hưởng theo phương vng góc trục ray và ảnh hưởng của chuyển
vị xoay và xoắn. Tuy nhiên, trong thực tế các chuyển vị ngang, xoay và xoắn của các
bộ phận toa tàu cũng có ảnh hưởng đến ứng xử động của tàu. Do đó, Luận văn được
thực hiện nhằm mô phỏng đầy đủ hơn ứng xử của kết cấu toa tàu, và tương tác giữa
tàu và đất nền khi kể đến đầy đủ các bậc tự do của các bộ phận toa tàu và tương tác
tổng thể của hệ thống tàu-ray-đất nền. Cách thiết lập các phương trình cân bằng của
thân tàu, giá chuyển hướng, bánh xe, và tương tác giữa kết cấu tàu và ray-nền khi tàu
chuyển động trên hai ray trong hệ trục tọa độ tương đối được trình bày. Lý thuyết
tương tác của Hertzian và Kalker được sử dụng để tính tốn lực tương tác theo phương
đứng và phương ngang vì mơ hình này phản ánh một cách tốt nhất hiện tượng mất
tương tác giữa ray và bánh xe. Phương pháp Newton-Raphson kết hợp với phương
pháp Newmark để giải bài toán tương tác phi tuyến giữa ray và bánh xe. Các kết quả
số được triển khai nhằm đánh giá ảnh hưởng của những yếu tố quan trọng đến ứng xử
của hệ thống tàu cao tốc như: vận tốc tàu, độ nhám của hai ray, độ cứng của đất nền
dưới hai ray…. Các kết quả trình bày rất có giá trị thực tế cho việc nghiên cứu nhằm

đảm bảo an toàn cho sự vận hành tàu cao tốc.


iv

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn của
Thầy TS. Lương Văn Hải.
Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu
khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình.

Tp. HCM, ngày

tháng

Bùi Văn Nhựt

năm 20


v

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ............................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ............................................................................. iii
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... iv
MỤC LỤC

............................................................................................................ v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ............................................................. vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................ x
MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT .................................................................................. xi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................... 1
1.1 Giới thiệu đường sắt cao tốc............................................................................ 1
1.2 Dự án đường sắt cao tốc tại Việt nam .............................................................. 4
1.3 Những sự cố xảy ra khi sử dụng tàu cao tốc .................................................... 5
1.4 Tình hình nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài ............................................. 6
1.4.1 Các cơng trình nghiên cứu trên thế giới ................................................ 6
1.4.2 Các cơng trình nghiên cứu trong nước ................................................. 9
1.5 Mục tiêu và hướng nghiên cứu ...................................................................... 10
1.6 Cấu trúc Luận văn ......................................................................................... 11
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................ 12
2.1 Mơ hình tàu cao tốc....................................................................................... 12
2.1.1 Mơ hình toa tàu .................................................................................. 12
2.1.2 Mơ hình tương tác giữa ray và bánh xe ............................................... 17
2.1.2.1. Lực tương tác giữa ray và bánh xe theo phương đứng .................... 17
2.1.2.2. Lực tương tác giữa ray và bánh xe theo phương ngang................... 20
2.1.3 Mơ hình tương tác ray-nền.................................................................. 21
2.1.7.1. Mơ hình tương tác ray-nền theo phương đứng (phương trục y)....... 22
2.1.7.2. Mơ hình tương tác ray-nền theo phương ngang (phương trục z) ..... 23
2.2 Phương pháp phần tử chuyển động MEM ..................................................... 23


vi

2.3 Phương pháp Newmark ................................................................................. 26
2.4 Phương pháp Newton-Raphson ..................................................................... 28

2.5 Lực tương tác động và hệ số động ................................................................. 33
2.6 Thuật toán sử dụng trong Luận văn ............................................................... 35
2.7 Độ ổn định và hội tụ của phương pháp Newmark .......................................... 37
2.8 Lưu đồ tính tốn ............................................................................................ 37
CHƯƠNG 3. VÍ DỤ SỐ .......................................................................................... 39
3.1 Bài toán 1: Khảo sát sự hội tụ của chương trình ............................................ 42
3.2 Bài tốn 2: Kiểm chứng chương trình Matlab của Luận văn .......................... 44
3.3 Bài tốn 3: Phân tích ứng xử động của tàu cao tốc khi biên độ của độ nhám
giữa hai ray khác nhau .................................................................................. 48
3.4 Bài tốn 4: Phân tích ứng xử động của tàu cao tốc khi bước sóng của độ nhám
hai ray khác nhau .......................................................................................... 54
3.5 Bài toán 5: Phân tích ứng xử động của tàu cao tốc khi độ cứng đất nền theo
phương đứng giữa hai ray khác nhau ............................................................. 59
3.6 Bài toán 6: Khảo sát hiện tượng cộng hưởng của tàu cao tốc do ảnh hưởng của
bước sóng của độ nhám ray ........................................................................... 64
3.7 Bài tốn 7: Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc đến ứng xử động của tàu cao tốc69
3.8 Bài toán 8: Khảo sát ứng xử động của tàu khi biên độ và bước sóng của độ
nhám ray thay đổi.......................................................................................... 72
3.9 Bài tốn 9: Khảo sát ứng xử động của tàu khi thay đổi khoảng cách hai ray .. 74
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................ 76
4.1 Kết luận ........................................................................................................ 76
4.2 Kiến nghị ...................................................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 79
PHỤ LỤC

.......................................................................................................... 82

KẾT QUẢ CÔNG BỐ ĐẠT ĐƯỢC TỪ LUẬN VĂN ............................................. 102
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ...................................................................................... 103

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ
Hình 1.1.

Tàu cao tốc ............................................................................................. 1

Hình 1.2.

Tàu chạy bằng từ tính của Nhật Bản ....................................................... 2

Hình 1.3.

Tàu cao tốc CRH380AL cuả Trung Quốc ............................................... 3

Hình 1.4.

Tàu cao tốc TGV V150 của Pháp ............................................................ 3

Hình 1.5.

Tàu cao tốc Transrapid TR-07 của Đức .................................................. 4

Hình 1.6.

Tai nạn tàu cao tốc ở Tây Ban Nha ......................................................... 5

Hình 1.7.

Tai nạn tàu cao tốc ở Trung Quốc ........................................................... 5

Hình 1.8.

Tai nạn tàu cao tốc ở Mỹ ........................................................................ 6

Hình 1.9.

Tai nạn ở Khánh Hịa .............................................................................. 6

Hình 1.10.

Mơ hình tàu cao tốc 3-D của Galvin et al. (2010) [15] ............................ 8

Hình 1.11.

Tàu cao tốc 3-D của Brien và Rizos (2005) [16] ..................................... 8

Hình 1.12.

Mơ hình tàu cao tốc 3-D của Huan Feng (2011) [17] .............................. 8

Hình 1.13.

Mơ hình 2-D tàu cao tốc với 3 bậc tự do ............................................... 10

Hình 2.1.

Mơ hình 3-D thực tế hệ thống toa tàu .................................................... 13

Hình 2.2.

Mơ hình 3-D tính tốn hệ thống toa tàu................................................. 14

Hình 2.3.

Liên kết bánh xe và ray trong thực tế .................................................... 17

Hình 2.4.

Mơ hình 3-D tương tác giữa ray và bánh xe .......................................... 18

Hình 2.5.

Vị trí các điểm tương tác....................................................................... 19

Hình 2.6.

Góc hình cơn của bánh xe ..................................................................... 21

Hình 2.7.

Mơ hình ray-nền ballast ........................................................................ 21

Hình 2.8.

Mơ hình ray-nền ERS ........................................................................... 21

Hình 2.9.

Cấu tạo mơ hình ray-nền ERS............................................................... 22

Hình 2.10.

Mơ hình tương tác ray-nền 3-D............................................................. 22

Hình 2.11.

Rời rạc hóa phần tử dầm ray với 8 bậc tự do ......................................... 24

Hình 2.12.

Hệ tọa độ của phương pháp MEM ........................................................ 24

Hình 2.13.

Lưu đồ tính tốn ................................................................................... 38

Hình 3.1.

Kích thước lưới chia phần tử ray........................................................... 40


viii

Hình 3.2.

Ký hiệu tên đoạn ray rời rạc.................................................................. 42

Hình 3.3.

So sánh hệ số động DAF khi độ cứng đất nền thay đổi.......................... 46

Hình 3.4.

So sánh hệ số động DAF khi biên độ của độ nhám ray thay đổi ............ 47

Hình 3.5.

Hệ số động DAF tại 4 điểm tương tác với vận tốc tàu V =180 km/h ...... 49

Hình 3.6.

Hệ số động DAF tại 4 điểm tương tác với vận tốc tàu V =216 km/h ...... 49

Hình 3.7.

Hệ số động DAF tại 4 điểm tương tác với vận tốc tàu V =252 km/h ...... 50

Hình 3.8.

Hệ số động DAF tại 4 điểm tương tác với vận tốc tàu V =288 km/h ...... 50

Hình 3.9.

Hệ số động DAF tại 4 điểm tương tác với vận tốc tàu V =324 km/h ...... 51

Hình 3.10.

Hệ số động DAF tại 4 điểm tương tác với vận tốc tàu V =360 km/h ...... 51

Hình 3.11.

Hệ số động DAF với vận tốc V =180 km/h ............................................ 55

Hình 3.12.

Hệ số động DAF với vận tốc V =216 km/h ............................................ 55

Hình 3.13.

Hệ số động DAF với vận tốc V =252 km/h ............................................ 56

Hình 3.14.

Hệ số động DAF với vận tốc V =288 km/h ............................................ 56

Hình 3.15.

Hệ số động DAF với vận tốc V =324 km/h ............................................ 57

Hình 3.16.

Chuyển vị của bánh xe 1 ....................................................................... 58

Hình 3.17.

Chuyển vị ray tại điểm tương tác 1 ....................................................... 59

Hình 3.18.

Hệ số động DAF với vận tốc V =180 km/h ............................................ 60

Hình 3.19.

Hệ số động DAF với vận tốc V =216 km/h ............................................ 61

Hình 3.20.

Hệ số động DAF với vận tốc V =252 km/h ............................................ 61

Hình 3.21.

Hệ số động DAF với vận tốc V =288 km/h ............................................ 62

Hình 3.22.

Hệ số động DAF với vận tốc V =324 km/h ............................................ 62

Hình 3.23.

Tần số ngoại lực fe thay đổi theo bước sóng của độ nhám và vận tốc ... 65

Hình 3.24.

Ảnh hưởng của bước sóng ray đến hệ số động DAF với V =180 km/h .. 66

Hình 3.25.

Ảnh hưởng của bước sóng ray đến hệ số động DAF với V =252 km/h .. 66

Hình 3.26.

Ảnh hưởng của bước sóng ray đến hệ số động DAF với V =324 km/h .. 67

Hình 3.27.

Chuyển vị ray tại điểm tương tác 1 ....................................................... 67

Hình 3.28.

Chuyển vị ray tại điểm tương tác 2 ....................................................... 68

Hình 3.29.

Hệ số động DAF khi thay đổi biên độ của độ nhám .............................. 70

Hình 3.30.

Chuyển vị ray tại điểm tương tác 1 ....................................................... 71


ix

Hình 3.31.

Hệ số động DAF tại điểm tương tác 1 ................................................... 72

Hình 3.32.

Chuyển vị ray tại điểm tương tác 1 ....................................................... 73

Hình 3.33.

Hệ số động DAF khi thay đổi khoảng cách hai ray................................ 75


x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1.

Thông số xe .......................................................................................... 36

Bảng 2.2.

Thông số ray và nền .............................................................................. 36

Bảng 2.3.

Thông số độ nhám ray .......................................................................... 36

Bảng 2.4.

Thơng số tính tốn liên kết phi tuyến Hertzian ...................................... 36

Bảng 2.5.

Thơng số kích thước thân xe, giá chuyển hướng và bánh xe.................. 36

Bảng 3.1.

Thông số ray và nền .............................................................................. 40

Bảng 3.2.

Thơng số tính tốn liên kết phi tuyến Hertzian ...................................... 40

Bảng 3.3.

Thông số của tàu ................................................................................... 41

Bảng 3.4.

Thông số độ nhám ray .......................................................................... 41

Bảng 3.5.

Hệ số Kalker ......................................................................................... 41

Bảng 3.6.

Tóm tắt các thơng số Bài toán 1 ............................................................ 42

Bảng 3.7.

Kết quả khảo sát hội tụ số phần tử ray .................................................. 43

Bảng 3.8.

Kết quả khảo sát hội tụ bước thời gian khảo sát .................................... 43

Bảng 3.9.

Tóm tắt các thơng số đầu vào bài tốn so sánh chuyển vị ...................... 44

Bảng 3.10.

So sánh kết quả chuyển vị ..................................................................... 45

Bảng 3.11.

Tóm tắt các thơng số đầu vào so sánh hệ số động DAF ......................... 45

Bảng 3.12.

Kết quả số hệ số động DAF khi độ cứng đất nền thay đổi ..................... 46

Bảng 3.13.

Kết quả số hệ số động DAF khi biên độ của độ nhám ray thay đổi ........ 46

Bảng 3.14.

Tóm tắt các thơng số Bài tốn 3 ............................................................ 48

Bảng 3.15.

Các trường hợp nảy bánh xe khi độ nhám giữa hai ray khác nhau ......... 53

Bảng 3.16.

Tóm tắt các thơng số Bài tốn 4 ............................................................ 54

Bảng 3.17.

Tóm tắt các thơng số Bài tốn 5 ............................................................ 60

Bảng 3.18.

Tóm tắt các thơng số Bài tốn 6 ............................................................ 64

Bảng 3.19.

Tần số ngoại lực do bước sóng của độ nhám ray ................................... 65

Bảng 3.20.

Tần số tự nhiên của các bộ phận toa tàu ................................................ 65

Bảng 3.21.

Tóm tắt các thơng số Bài tốn 7 ............................................................ 70

Bảng 3.22.

Tóm tắt các thơng số Bài tốn 8 ............................................................ 72

Bảng 3.23.

Tóm tắt các thơng số Bài tốn 9 ............................................................ 74


xi

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
DOF

Bậc tự do (Degree of Freedom)

DAF

Hệ số động (Dynamic Amplification Factor)

FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)

MEM

Phương pháp phần tử chuyển động (Moving Element Method)

Ma trận và vectơ

u

Vectơ chuyển vị tại một điểm bất kỳ của hệ thống tàu cao tốc

M

Ma trận khối lượng tổng thể

K

Ma trận độ cứng tổng thể

C

Ma trận cản tổng thể

Me

Ma trận khối lượng phần tử dầm ray

Ce

Ma trận cản dầm ray

Ke

Ma trận độ cứng dầm ray

M eff

Ma trận khối lượng hiệu dụng

Peff

Ma trận tải trọng hiệu dụng

K eff

Ma trận độ cứng hiệu dụng

Ký hiệu
mr

Khối lượng ray trên mét dài

krv

Độ cứng nền theo phương đứng

crv

Độ cản nền theo phương đứng

krh

Độ cứng nền theo phương vng góc trục ray

crh

Độ cản nền theo phương vng góc trục ray

E

Mơ đun đàn hồi của vật liệu làm đường ray

Ir

Moment quán tính của ray



Hệ số poisson


xii

mc

Khối lượng thân xe

Ic

Moment khối lượng thân xe

mb

Khối lượng giá chuyển hướng

Ib

Moment khối lượng giá chuyển hướng

mw

Khối lượng bánh xe

Iw

Moment khối lượng bánh xe

k 2V

Độ cứng lò xo của thân xe theo phương đứng

k2 H

Độ cứng lò xo của thân xe theo phương ngang

c2V

Độ cản của thân xe theo phương đứng

c2H

Độ cản của thân xe theo phương ngang

k1V

Độ cứng lò xo của giá chuyển hướng theo phương đứng

k1H

Độ cứng lò xo của giá chuyển hướng theo phương ngang

c1V

Độ cản của giá chuyển hướng theo phương đứng

c1H

Độ cản của giá chuyển hướng theo phương ngang

KH

Hằng số lò xo Hertzian

f11 , f12

Hệ số Kalker

Fcr

Lực tương tác theo phương đứng giữa bánh xe và ray

Fczr

Lực tương tác theo phương ngang giữa bánh xe và ray


Tổng quan

1

CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu đường sắt cao tốc
Đường sắt cao tốc (High Speed Rail-HSR) là một kiểu vận tải hành khách đường
sắt hoạt động nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ đường sắt thơng thường (Hình 1.1). Có
một số định nghĩa khác nhau về đường sắt cao tốc được sử dụng trên khắp thế giới và
khơng có một tiêu chuẩn duy nhất, trong đó liên minh Châu Âu định nghĩa đường sắt
cao tốc là tập hợp của ba yếu tố với tiêu chí rõ ràng như sau [1]:
 Cơ sở hạ tầng: đường ray được thiết kế hoặc nâng cấp đặc biệt cho tàu di
chuyển với tốc độ cao.
 Tốc độ di chuyển: tốc độ tối thiểu là 200 km/h cho đường nâng cấp và 250
km/h cho đường xây mới hoàn toàn.
 Điều kiện hoạt động: đầu tàu được thiết kế phù hợp với cơ sở hạ tầng, an tồn
và đảm bảo chất lượng phục vụ.

Hình 1.1. Tàu cao tốc
Tại Hoa Kỳ, đường sắt cao tốc được cơ quan đường sắt Liên bang Hoa Kỳ định
nghĩa là vận tốc của tàu phải đạt tốc độ trên 180 km/h. Tại Nhật Bản, các tuyến đường
Shinkansen hoạt động với tốc độ hơn 260 km/h và được xây dựng bằng đường sắt khổ
tiêu chuẩn 1435 mm và khơng có giao cắt đồng mức. Tại Trung Quốc, có hai cấp


Tổng quan

2

đường sắt cao tốc; thứ nhất là các tuyến hoạt động ở tốc độ trong khoảng 200 đến 250
km/h và có cả các toa chở hàng và chở khách; thứ hai, các tuyến đường cao tốc chỉ chở
khách hoạt động với tốc độ tối đa lên đến 350 km/h và một tuyến Maglev đạt tới tốc
độ 430 km/h.
Hệ thống giao thơng đường sắt đã được hình thành năm 1756 do kỹ sư người Anh
là John Smeaton (1724-1792) sáng lập. Từ năm 1933, các công ty tàu lửa ở Châu Âu

và Hoa Kỳ đã sử dụng thiết kế khí động học vào tàu lửa cho các dịch vụ cao tốc với
tốc độ trung bình 130 km/h và tốc độ tối đa hơn 160 km/h. Năm 1957, Công ty đường
sắt Odakyu ở vùng thủ đô Tokyo ra mắt dịch vụ Romancecar với series tàu 3000 SE,
tàu đã lập một kỷ lục thế giới với các đoàn tàu hoạt động với tốc độ 145 km/h, giúp
các nhà thiết kế Nhật Bản tin rằng họ có thể chế tạo các đồn tàu an toàn và tin cậy
hoạt động trên đường sắt khổ tiêu chuẩn. Trong khi suy nghĩ để giải quyết sự quá tải
của những đoàn tàu trên tuyến Tokyo-Osaka, ý tưởng về đường sắt cao tốc ra đời.
Từ năm 1970, Nhật Bản nghiên cứu loại tàu Shinkansen từ tính, chạy trên nệm từ.
Năm 2003, tàu thí nghiệm đã đạt vận tốc 581 km/h (Hình 1.2), nhanh gấp hai lần máy
bay trực thăng.

Hình 1.2. Tàu chạy bằng từ tính của Nhật Bản
Năm 2011 Trung Quốc cũng đã đưa vào khai thác tuyến cao tốc dài nhất từ Bắc
Kinh tới Thượng Hải, dài khoảng 1.300 km. Tàu CRH380AL đạt vận tốc 299 km/h
(Hình 1.3), nhưng trong lần thử nghiệm tàu có thể đạt tới tốc độ tối đa 486 km/h. Đoàn
tàu này được thiết kế với công suất chuyên chở 80 triệu hành khách mỗi năm.


Tổng quan

3

Hình 1.3. Tàu cao tốc CRH380AL cuả Trung Quốc
Tại Châu Âu, đường sắt cao tốc bắt đầu được khởi động từ Hội chợ Vận tải Thế
giới ở Munich tháng 6 năm 1965, khi tàu DB Class 103 thực hiện tổng cộng 347
chuyến đi trình diễn ở tốc độ 200 km/h giữa Munich và Augsburg. Thơng tin được
trích lược từ website [2].
Tại Pháp, đoàn tàu TGV đầu tiên được đưa vào chạy từ năm 1981, nối Paris và
Lyon (Hình 1.4). Sau đó, mạng lưới này được mở rộng ra 150 điểm đến giữa Pháp và
các nước láng giềng. Đoàn tàu TGV V150 đạt tốc độ kỷ lục 574.8 km/h vào năm 2007,

nhanh thứ hai trên thế giới. Công nghệ cao tốc của TGV đã được sử dụng cho nhiều
đoàn tàu quốc gia ở nhiều nước Châu Âu như Anh, Bỉ, Hà Lan và Đức.

Hình 1.4. Tàu cao tốc TGV V150 của Pháp
Tại Đức, tàu cao tốc Transrapid TR-07 được vận hành với tốc độ 435 km/h
(Hình 1.5). Đức là quốc gia sản xuất nhiều đoàn tàu chạy nhanh nhất thế giới, nhưng
việc đưa vào sử dụng tàu cao tốc ở nước này đã bị trì hỗn mất một thập niên vì tranh


Tổng quan

4

cãi giữa các nhà bảo vệ môi trường và các nhóm khác. Thơng tin được trích lược từ
Website [3].

Hình 1.5. Tàu cao tốc Transrapid TR-07 của Đức
1.2 Dự án đường sắt cao tốc tại Việt nam
Theo danh mục quy hoạch phát triển kết cấu hạ tầng đường sắt thông thường, tốc
độ cao và đô thị đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2030 đã được Thủ tướng Chính
phủ phê duyệt tại quyết định 1436/QĐ – TTG ngày 10/09/2009, dự án đường sắt cao
tốc Bắc Nam dự kiến có tổng chiều dài 2020 km, và sẽ được tiến hành đầu tư phát
triển trong hai giai đoạn: Giai đoạn 1 từ năm 2011 đến năm 2020 và giai đoạn 2 từ
năm 2020 đến năm 2030 với mục tiêu hoàn thành tuyến đường sắt Bắc-Nam với vận
tốc 320 km/h. Mặc dù kỳ họp quốc hội tháng 06/2010 đã không tán thành chủ trương
xây dựng dự án đường sắt Bắc-Nam, trị giá 56 tỉ USD do Chính phủ trình. Nhưng sau
đó Chính phủ vẫn giao cho Tổng công ty Đường sắt Việt Nam phối hợp với cơ quan
Hợp tác quốc tế Nhật Bản (JICA) để nghiên cứu lập dự án đầu tư một số tuyến đường
sắt cao tốc Hà Nội – thành phố Hồ Chí Minh, kinh phí nghiên cứu do JICA tài trợ [4].
Trước mắt đơn vị Tư vấn sẽ nghiên cứu hai đoạn tuyến: Hà Nội-Vinh (dài khoảng 300

km) và thành phố Hồ Chí Minh - Nha Trang (dài khoảng 370 km), với tổng kinh phí
xây dựng khoảng 21.4 tỉ USD. Theo đề xuất của đoàn nghiên cứu, tới năm 2013 sẽ
hồn thành nghiên cứu khả thi và trình Quốc hội phê duyệt dự án, đến năm 2020 dự án
này sẽ xong phần thiết kế kỹ thuật, cũng như các thủ tục chuẩn bị đầu tư, sau năm
2020 sẽ thi cơng. Trong đó đoạn thành phố Hồ Chí Minh-Long Thành dài 37 km sẽ
đưa vào khai thác trước mang tính thử nghiệm đường sắt cao tốc. Tín hiệu cho sự phát
triển hệ thống đường sắt cao tốc ở Việt Nam trong tương lai đã có.


Tổng quan

5

1.3 Những sự cố xảy ra khi sử dụng tàu cao tốc
Ngày 24/07/2013, một thảm họa tai nạn đường sắt nghiêm trọng xảy ra khi một
đoàn tàu cao tốc chở 218 hành khách bị trật đường ray, đâm vào tường hầm và bốc
cháy tại khúc ngoặc để vào ga Santiago de Compostela ở vùng Galicia, Tây bắc Tây
Ban Nha (Hình 1.6). Vụ tai nạn này làm chết ít nhất 78 người, gần 100 người bị
thương, toàn bộ toa tàu bị trật bánh, nhiều toa nằm chồng lên nhau [5].
Ngày 23/07/2011, hai đoàn tàu cao tốc ở Trung Quốc bị trật đường ray và va với
nhau làm bốn toa tàu rơi từ trên cầu cạn xuống đất (Hình 1.7). Vụ tai nạn này có hơn
40 người thiệt mạng, ít nhất 192 người bị thương, 12 người trong số người bị thương
là chấn thương nghiêm trọng [6].
Gần đây nhất, vụ tai nạn xảy ra vào tháng 12 năm 2013, tại bờ sông Hudson, gần
ga Spuyten Duyvil thuộc quận Bronx, thành phố New York (Hình 1.8). Tám toa tàu
trật bánh khỏi đường ray và một toa tàu lao xuống mé sông Hudson. Ít nhất 4 người
thiệt mạng và 67 người bị thương trong vụ tai nạn [7].
Tại Việt Nam, vào ngày 19/02/2013, một tai nạn tàu hỏa do sự cố trật bánh xe
(Hình 1.9) đã xảy ra tại Khánh Hịa trong địa phận Cam Lâm, cách ga Nha Trang
khoảng 10 km về phía Nam. Đồn tàu đã dừng lại kịp thời nên khơng gây ra thiệt hại

về người.

Hình 1.7. Tai nạn tàu cao tốc ở Trung
Hình 1.6. Tai nạn tàu cao tốc ở Tây Ban Nha

Quốc


Tổng quan

6

Hình 1.8. Tai nạn tàu cao tốc ở Mỹ

Hình 1.9. Tai nạn ở Khánh Hòa

Đa số các vụ tai nạn tàu đều do nguyên nhân trật bánh xe tàu, sự dao động của tà
vẹt dưới thanh ray. Do vậy, việc phân tích ứng xử động của hệ thống đường sắt cao tốc
đóng vai trị rất quan trọng trong việc thiết kế và đánh giá độ an toàn của tàu khi
chuyển động. Đây là việc làm cấp thiết và quan trọng cần được giải quyết, đặc biệt là
việc mơ hình hóa một cách chính xác ứng xử động của hệ thống tàu và ray-nền.
1.4 Tình hình nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài
1.4.1

Các cơng trình nghiên cứu trên thế giới

Ứng xử động của hệ thống tàu – ray là vấn đề đặc biệt quan trọng khi thiết kế hệ
thống tàu cao tốc, tuyến đường ray tàu cao tốc chịu tác dụng của tải trọng di động biến
đổi theo không gian và thời gian. Hệ gồm một lực chuyển động tác động lên kết cấu là
một trong những bài toán động lực học thực tế đầu tiên nghiên cứu cho việc phân tích

ứng xử động của hệ thống tàu-ray. Bằng phương pháp biến đổi chuỗi Fourier (Fourier
Transform Method-FTM), Mathews (1958) [8] đã giải quyết bài toán động lực học của
một tải trọng tùy ý di chuyển dọc theo một dầm có chiều dài vơ hạn tựa trên nền đàn
hồi. Phương pháp FTM cho lời giải giải tích chính xác nhưng trở nên bế tắc trong việc
giải quyết bài toán khi một hệ thống động di chuyển với nhiều bậc tự do và khi tải
trọng di động với vận tốc biến đổi. Do đó, việc sử dụng các phương pháp này để phân
tích động bài tốn tàu-ray là khá hạn chế.
Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method- FEM) cũng đã được nhiều
nhà nghiên cứu sử dụng để giải quyết bài toán phức tạp của hệ tàu-ray. Chen và Huang
(2000) [9] đã xét một tải không đổi di động với vận tốc không đổi dọc theo dầm
Timoshenko dài vô hạn trên nền đàn nhớt, phương trình tổng quát cho một dầm dài vô


Tổng quan

7

hạn được thiết lập khi chịu tải trọng di động. Venancio Filho (1978) [10] trình bày
nghiên cứu sử dụng phương pháp FEM để giải quyết vấn đề dầm đồng nhất chịu tải
trọng di động. Phương pháp FEM tiếp tục phổ biến để giải quyết của hệ tàu–ray.
Andersen et al. (2001) [11] dùng phương pháp FEM khảo sát tải trọng di chuyển đều
dọc theo dầm Euler dài vô hạn trên nền cản nhớt. Lei và Noda (2002) [12] đã khảo sát
ứng xử động của hệ thống tàu – ray có xét đến mặt ray không đồng nhất bằng phương
FEM.
Mặc dù phương pháp FEM được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu về ứng xử
động học của hệ thống tàu – ray, nhưng phương pháp này đã gặp khó khăn khi tải di
động đến gần biên của miền hữu hạn của phần tử và khi có nhiều tải di động với
khoảng cách không đều nhau. Để khắc phục những hạn chế của phương pháp FEM,
Koh et al. (2003) [13] đã đề xuất phương pháp phần tử chuyển động (Moving Element
Method- MEM), theo phương pháp này hệ tọa độ tương đối sẽ gắn với lực di động

thay thế cho hệ tọa độ cố định của phương pháp phần tử hữu hạn, dầm ray trên nền cản
nhớt sẽ gắn với tải di động. Những thuận lợi của phương pháp MEM so với phương
pháp FEM như sau: thứ nhất, tải trọng di động sẽ không di chuyển đến biên khi phần
tử đề xuất di chuyển dọc theo tải trọng di động; thứ hai, tải trọng di động sẽ không di
chuyển từ phần tử này sang phần tử khác điều này sẽ tránh được việc cập nhật vectơ
lực và chuyển vị; thứ ba, phương pháp MEM cho phép phần tử có chiều dài khơng
bằng nhau, điều này thuận lợi khi các điểm tương tác (ray và bánh xe) có khoảng cách
khác nhau. Xiaoyan và Wang (2013) [14] đã dùng phương pháp MEM để khảo sát ứng
xử động của hệ tàu và ray-nền, tác giả đã mơ phỏng toa tàu thành 10 DOFs. Tuy nhiên
bài tốn chỉ mơ phỏng toa tàu bằng mơ hình 2-D, chỉ xét đến tàu di chuyển trên một
thanh ray bỏ qua sự tương tác của toa tàu với ray còn lại.
Galvin et al. (2010) [15] đã mơ hình 3-D hệ thống toa tàu và ray-nền tương tác với
nhau bằng cách sử dụng phương pháp FEM và mơ hình phần tử biên trong miền thời
gian nhằm khảo sát ứng xử động của hệ ray-nền khi xét đến trường hợp tải trọng gần
như tĩnh, tải trọng động, độ nhám thanh ray không đều và khảo sát thêm trường hợp
nền dưới ray không liên tục tại vị trí tiếp giáp giữa nền đá ballast và nền bê tơng cốt
thép (Hình 1.10).


Tổng quan

8

Hình 1.10. Mơ hình tàu cao tốc 3-D của Galvin et al. (2010) [15]
Brien và Rizos (2005) [16] bằng cách mô phỏng 3-D hệ ray-nền với tải trọng di
động của tàu di chuyển dọc hai bên của ray, tác giả đã kết hợp giữa hai phương pháp
phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method- BEM) và phương pháp FEM
trong miền thời gian để khảo sát dao động của hệ tàu-ray, trong đó phương pháp BEM
sử dụng mơ phỏng nền đất, FEM dùng mơ phỏng hệ thống ray (Hình 1.11).

Hình 1.11. Mơ hình tàu cao tốc 3-D của Brien và Rizos (2005) [16]
Feng (2011) [17] đã mô phỏng 3-D hệ thống ray-đất nền trong phần mềm Abaqus
để khảo sát các đặc trưng động lực học, các Mode dao động, ứng suất của ray và ứng
suất đất nền dưới ray, trong đó tác giả mơ hình nền đất dưới ray bằng ba lớp: lớp đá
dăm (ballast), lớp lót đá dăm (subballast) và nền đất (Hình 1.12).

Hình 1.12. Mơ hình tàu cao tốc 3-D của Huan Feng (2011) [17]


Tổng quan

9

Dinh et al. (2009) [18] đã mơ hình 3-D toa tàu di chuyển trên cầu, tác giả đã mơ
hình toa tàu gồm 27 bậc tự do và phân tích động học của toa tàu khi di chuyển qua
cầu. Nghiên cứu sử dụng phương pháp FEM để khảo sát ứng xử động của tàu. Mơ
hình này tác giả đã xét đến ứng xử thực tế của tàu khi dao động nhưng bài toán chỉ
khảo sát tàu di chuyển trên cầu chưa xét sự tương tác giữa tàu và hệ thống ray-đất nền
bên dưới.
1.4.2 Các cơng trình nghiên cứu trong nước
Thi et al. (2013) [19] đã khảo sát ứng xử động của tàu cao tốc bằng cách mơ hình
toa tàu bằng mơ hình 2-D với 10 bậc tự do chuyển động trên sàn bê tông. Thi et al.
(2013) [20] đã khảo sát ứng xử động lực học của hệ thống tàu ray cao tốc sử dụng
phương pháp MEM có xét đến ảnh hưởng của độ nhám ray và ảnh hưởng của tải trọng
bánh xe tác dụng lên ray, tác giả cũng khảo sát hai trường hợp bánh xe và ray tương
tác tuyến tính và phi tuyến sử dụng liên kết Hertzian. Duy (2013) [21] và Anh (2013)
[22] đã trình bày ứng xử động học của hệ thống ray-tàu sử dụng phần tử MEM khi xét
đến độ nảy bánh xe, độ cong thanh ray và tương tác với đất nền.
Hầu hết các nghiên cứu đã thực hiện nghiên cứu về ứng xử động của hệ thống tàu
cao tốc chỉ dừng lại ở mơ hình đơn giản để khảo sát, nghĩa là các nghiên cứu đã thực

hiện mơ hình 2-D tàu cao tốc thành ba bậc tự do; trong đó thân tàu, giá chuyển hướng,
bánh xe được mơ hình thành ba chuyển vị thẳng đứng chuyển động trên một ray (Hình
1.13). Một số nghiên cứu mơ hình 2-D tàu cao tốc thành 10 bậc tự do nhưng chỉ khảo
sát tàu di chuyển trên một bên ray, chưa kể kến sự tương tác giữa tàu và hai bên thanh
ray. Nhưng thực tế các bậc tự do như chuyển vị ngang, xoay và xoắn của các bộ phận
toa tàu khi tàu sao động và di chuyển trên hai ray cũng ảnh hưởng đến xử động của tàu
hoặc khi biên độ, bước sóng của độ nhám và độ cứng đất nền hai bên thanh ray không
đều nhau thì ứng xử của hệ tàu-ray rất phức tạp và phải được nghiên cứu rõ ràng, các
vấn đề này mơ hình đơn giản 2-D chưa khảo sát được. Vì vậy, cần thiết phải có mơ
hình để mơ phỏng ứng xử động chính xác hơn và để khảo sát tổng quát ứng xử động
của tàu và sự tương tác giữa tàu và kết cấu ray-nền. Do đó, trong Luận văn này sẽ tiến
hành mơ hình 3-D hệ thống tàu và ray-nền để khảo sát đầy đủ ứng xử động học của hệ
tàu và ray-nền bằng cách kể đến tất cả các bậc tự do của kết cấu toa tàu và tương tác
3-D giữa bánh xe và hệ ray-nền.


Tổng quan

10

r
u1

Thân xe

m1

Hệ thống treo phụ

k1

c1
u2

Giá chuyển hướng

m2
v

Hệ thống treo chính

k2

c2
u3
m3

Bánh xe
y
kH

x
k

c

Nền

Hình 1.13. Mơ hình 2-D tàu cao tốc với 3 bậc tự do
1.5 Mục tiêu và hướng nghiên cứu

Mục tiêu của Luận văn là phân tích ứng xử động của tàu cao tốc bằng mơ hình 3-D
sử dụng phương pháp phần tử chuyển động MEM. Để đạt được mục tiêu trên, các vấn
đề nghiên cứu trong phạm vi Luận văn sẽ được thực hiện:


Thiết lập mơ hình 3-D tương tác giữa hệ tàu-ray-nền.



Kiểm tra độ tin cậy của mô hình và chương trình tính tốn bằng so sánh kết quả
với các nghiên cứu đã thực hiện.



Khảo sát các thông số quan trọng ảnh hưởng đến ứng xử động của tàu như: độ
nhám của hai ray, độ cứng của đất nền, vận tốc tàu và khoảng cách giữa hai ray.


Tổng quan


11

Tập trung xem xét các yếu tố tác động đến chuyển vị ray, bánh xe và hệ số động
tương tác giữa bánh xe và ray vì đây là một trong những yếu tố quan trọng ảnh
hưởng đến an toàn và tiện nghi tàu cao tốc.
Các bước tiến hành như sau:



Bước 1: Thiết lập mơ hình 3-D của toa tàu.



Bước 2: Thiết lập mơ hình tương tác 3-D giữa ray và bánh xe.



Bước 3: Thiếp lập mơ hình tương tác ray-nền: thành lập ma trận độ cứng, cản và
khối lượng sử dụng phần tử chuyển động MEM.



Bước 4: Phát triển thuật tốn, sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab để xây dựng
chương trình tính tốn, giải hệ phương trình động tổng thể và kiểm tra độ tin cậy
của chương trình bằng cách so sánh với các nghiên cứu đã được công bố.



Bước 6: Khảo sát các kết quả từ mô hình tính tốn và rút ra các kết luận.

1.6 Cấu trúc Luận văn
Nội dung trong Luận văn được trình bày như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về tàu cao tốc hiện nay, tình hình nghiên cứu
của các tác giả trong và ngoài nước, cũng như mục tiêu và hướng nghiên cứu của đề
tài.
Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết tính tốn và phương pháp giải phương
trình động lực học.
Chương 3: Trình bày kết quả số tính tốn bằng ngơn ngữ lập trình Matlab, khảo
sát các thơng số ảnh hưởng đến ứng xử động của tàu.

Chương 4: Từ kết quả phân tích số của Chương 3, tiến hành đưa ra một số kết
luận quan trọng đạt được trong Luận văn và kiến nghị hướng phát triển của đề tài trong
tương lai.
Tài liệu tham khảo: Trích dẫn các tài liệu liên quan phục vụ cho mục đích
nghiên cứu của đề tài.
Phụ lục: Kết quả của ví dụ số và mã nguồn chính chương trình Matlab.