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研究生: 徐煒翔
Hsu, Wei_Hsiang
論文名稱: 數值模擬岔心支承掏空之識別方法
Identification Method for Frog Support Voids Using Numerical Simulation
指導教授: 郭振銘
Kuo, Chen-Ming
共同指導: 施柔伊
Shih, Jou-Yi
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2026
畢業學年度: 114
語文別: 中文
論文頁數: 81
中文關鍵詞: 道岔岔心軌枕掏空車軌耦合動力學二維數值模擬1/3倍頻帶分析損傷識別指標
外文關鍵詞: Railway Turnout Frog, Ballast Void, Vehicle-Track Dynamics, Two-Dimensional Numerical Simulation, 1/3-Octave Band, Damage Identification
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  • 鐵道道岔岔心區因斷面幾何與基礎剛度存在高度不連續性,列車通過時會激發複雜的輪軌動力相互作用,若發生軌枕下道碴掏空,將嚴重威脅行車安全。傳統三維有限元素模型計算成本龐大,有鑑於此,本研究基於車輛—軌道耦合動力學理論,結合 SolidWorks 三維斷面切分,建置了高效且準確的二維縱向平面耦合動力學數值模型,其垂直加速度模擬結果與現地實測數據高度吻合。隨後,針對多組車速、掏空範圍及掏空深度規劃了全面的參數化敏感度分析。
    時域分析顯示,枕下掏空會顯著放大系統振動幅值,但當深度超越系統的「動態垂向位移極限」時,響應會呈現封頂的動力飽和鈍化現象。此外,當掏空深度適中且列車高速通過時,軌枕會與道碴床發生劇烈的撞擊,導致正向加速度峰值反常地飆升至負向峰值多倍,成為判定軌枕實質觸底衝擊的核心指標。
    頻域分析部分,本研究透過 1/3 倍頻帶深度分析,成功篩選出具備高敏感度的特徵指紋頻率:
    1. 掏空範圍判別:中心頻率 16 Hz、20 Hz與25 Hz(負相關指標)可作為判定「掏空軌枕數量」的黃金頻率組合,16 Hz約至良好狀態下之3至4倍,20 Hz約4至5倍,25 Hz約5至6倍便需要特別注意。
    2. 掏空程度診斷:中心頻率 80 Hz(負相關)可做為判斷掏空深度的指標,在良好狀態的0.75倍左右便需要特別注意;160 Hz(正相關)則須在良好程度的3至4倍便需要特別注意維護。
    綜上所述,本研究提出「低頻看剛度、高頻看衝擊」的多頻率交叉驗證機制,為特殊道岔結構的健康監測與預防性維修養護提供了高信賴度的理論依據。

    The railway turnout frog zone experiences severe wheel-rail dynamic interactions due to structural discontinuities, which are exacerbated by sub-sleeper ballast voids. To overcome the high computational costs of 3D models, this study establishes an efficient 2D vehicle-track coupled dynamics model. The model's vertical acceleration predictions demonstrate high agreement with field measurements.
    Parametric analyses across various train speeds, void numbers, and void depths reveal key dynamic indicators:
    • Time-Domain Behavior: Ballast voids amplify accelerations up to a saturation limit set by vertical displacements. At high speeds and moderate depths, severe sleeper-ballast impacts cause positive acceleration peaks to abnormally exceed negative peaks by up to 1.7×.
    • Frequency-Domain Diagnosis (1/3-Octave): Center frequencies at 16, 20, and 25 Hz correlate strongly with the number of unsupported sleepers, surging 3–6× above baseline. Meanwhile, the 80 Hz band drops below 0.75× baseline and the 160 Hz band surges 3–4× under deep voids (≥3 mm), providing a complementary metric for void depth assessment.
    In conclusion, this research provides a multi-frequency framework—"low frequencies reflect stiffness, high frequencies reflect impacts"—for the structural health monitoring and maintenance of turnout frogs.

    摘要 I EXTENDED ABSTRACT II 致謝 X 目錄 XI 表目錄 XIII 圖目錄 XIV 第一章 緒論 1 1.1 研究背景與動機 1 1.2 文獻回顧 1 1.2.1 直線段加速度頻譜分析 2 1.2.2 加速度與軌枕掏空研究 3 1.3 研究目的 5 1.4 研究流程 5 第二章 研究方法基礎與理論背景 7 2.1 有限元素模型 7 2.2 道岔段軌道垂向模型 9 2.3 軌枕掏空規範 11 第三章 車輛-軌道耦合動力模型建立 12 3.1 二維道岔模型建立 12 3.1.1 二維模型建立及參數設定 12 3.1.2 岔心高差幾何 15 3.1.3 道岔斷面參數設定 17 3.1.4 道岔參數匯入 26 3.2 二維道岔模型驗證 27 3.2.1 位移與加速度疊加模擬完整車輛之驗證 27 3.2.2 軌道-車輛耦合模型之驗證 32 3.3 模擬工況設計 33 第四章 動態響應結果分析 36 4.1 加速度響應分析 36 4.1.1 軌枕掏空對垂向加速度之影響 36 4.1.2 掏空尺寸對軌枕撞擊行為之影響 38 4.2 車輛通過頻率頻譜分析 43 4.3 1/3倍頻帶頻譜分析 47 4.3.1 速度分析 48 4.3.2 相同比例不同掏空深度頻譜分析 49 4.3.3 相同掏空深度不同掏空數量頻譜分析 55 第五章 結論與建議 60 5.1 結論 60 5.2 建議 61 參考文獻 62

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