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基于代理模型的400 km/h高速铁路车-桥系统关键参数优化方法

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铁道建筑 2023年第6期63卷 58-63页

作者：张可新同新星李克冰杨勃中国铁道科学研究院集团有限公司铁道科学技术研究发展中心北京100081 西安理工大学机械与精密仪器工程学院西安710048 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081

针对高速铁路车-桥系统建模复杂,难以确定最优关键参数的问题,运用数值计算、代理模型和优化设计等方法,提出了400 km/h高速铁路车-桥系统关键参数优化方法。通过构建三维车桥耦合系统动力学模型,计算不同抽样组合的车体垂向加速度;构... 详细信息

针对高速铁路车-桥系统建模复杂,难以确定最优关键参数的问题,运用数值计算、代理模型和优化设计等方法,提出了400 km/h高速铁路车-桥系统关键参数优化方法。通过构建三维车桥耦合系统动力学模型,计算不同抽样组合的车体垂向加速度;构建车体垂向加速度Kriging代理模型,精确描述车辆轴重、桥梁徐变上拱值与车体垂向加速度的相互关系;以最小化车体垂向加速度为目标,提出车辆轴重与桥梁徐变上拱值的匹配优化模型,基于布谷鸟搜索算法获取最优设计参数。结果表明:车体垂向加速度对徐变上拱值的敏感度远高于车辆轴重;400 km/h高速铁路最优的车辆轴重为15 t,桥梁徐变上拱限值为3 mm,其车体垂向加速度最小,达到0.4909 m/s2。此方法为从系统层面进行桥梁徐变上拱控制和车辆设计提供了重要依据。

关键词：高速铁路桥梁优化方法数值计算车-桥系统代理模型车辆轴重徐变上拱

基于车—桥系统随机振动的压电能量收集装置设计研究

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基于车—桥系统随机振动的压电能量收集装置设计研究

作者：沈浩杰中南大学

学位级别：硕士

通过采用无线通讯技术和微机电系统技术,将列车在行驶过程中产生的桥梁振动转变为电能,从而为桥梁健康监测系统提供持久的能量,这不仅可以有效地解决传统桥梁健康监测传感器电池的使用寿命短、更换困难的问题,而且还可以实现桥梁健康监... 详细信息

通过采用无线通讯技术和微机电系统技术,将列车在行驶过程中产生的桥梁振动转变为电能,从而为桥梁健康监测系统提供持久的能量,这不仅可以有效地解决传统桥梁健康监测传感器电池的使用寿命短、更换困难的问题,而且还可以实现桥梁健康监测的长期自我供能。鉴于当前的环境,本文选择了一种悬臂式压电能量收集装置来获取桥梁的振动能。相关研究工作和结论如下:(1)详细描述了运用多体动力学软件SIMPACK对车辆建模的步骤,并通过有限元接口程序FEMBS建立了列车-桥梁系统振动仿真分析模型。该模型中,采用德国低干扰谱作为系统激励源,采用非线性弹性接触模型模拟轮轨接触关系。以某高速铁路32m简支单箱梁桥为算例,对其进行车-桥耦合振动分析,结果表明:基于车-桥耦合振动联合仿真分析的计算结果具有较好的精度,证明该仿真模型是可靠的。(2)通过多体动力学耦合振动分析,获取车致桥梁振动响应。将该振动响应作为激励通过仿真计算得到压电能量收集装置的能量输出,获得负载阻值与能量输出的关系。同时研究了基于轨道不平顺的随机振动对于能量收集的影响,发现同一车速下不同桥梁动力响应样本下,压电能量收集装置的能量输出较接近。(3)分析了桥梁动力响应频谱特性,确定了压电悬臂梁装置的基本频率。研究了配重,悬臂梁长,压电陶瓷片厚度和基板厚度等因素对压电悬臂梁基频的影响规律,确定了悬臂梁装置的最佳设计参数。通过对设计的压电悬臂梁进行俘能分析,发现收集的能量能够满足桥梁健康监测无线传感系统的自供能。图64幅,表14个,参考文献96篇

关键词：车-桥系统随机振动能量收集桥梁健康监测压电悬臂梁频谱分析

基于灰箱模型的垂向车-桥系统响应极值分布研究

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振动与冲击 2021年第16期40卷 75-80页

作者：唐平李永乐向活跃西南交通大学土木工程学院成都610031

针对垂向车-桥系统时域计算效率不高的问题,结合灰箱模型,提出了一种垂向车-桥系统动力响应计算的代理模型方法。通过对车桥系统进行分析,得到输入和输出样本进行灰箱模型参数训练,使车体加速度响应误差最小化,得到代理模型。通过蒙特... 详细信息

针对垂向车-桥系统时域计算效率不高的问题,结合灰箱模型,提出了一种垂向车-桥系统动力响应计算的代理模型方法。通过对车桥系统进行分析,得到输入和输出样本进行灰箱模型参数训练,使车体加速度响应误差最小化,得到代理模型。通过蒙特卡罗模拟,验证了该方法的准确性和效率。结果表明,相比蒙特卡罗模拟方法,该方法计算效率明显提高,计算时间减少了约7倍,且计算误差小。

关键词：车-桥系统灰箱模型白噪声滤波法动力响应

基于车-桥系统气动性能分析的百叶窗型风屏障参数优化（英文）

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Journal of Central South University 2019年第1期26卷 229-240页

作者：何旭辉方东旭李欢史康 School of Civil Engineering Central South University National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction Joint International Research Laboratory of Key Technology for Rail Traffic Safety China State Construction International Investments (China) Limited

为提高列车在复杂风环境中行车的安全性,本文采用1:40的缩尺模型进行风洞模拟试验,针对提出的一种新型百叶窗型风屏障对列车和桥梁的气动影响展开研究,并基于车-桥系统气动特性对百叶窗型风屏障的自身参数进行了优化分析。试验结果表明... 详细信息

为提高列车在复杂风环境中行车的安全性,本文采用1:40的缩尺模型进行风洞模拟试验,针对提出的一种新型百叶窗型风屏障对列车和桥梁的气动影响展开研究,并基于车-桥系统气动特性对百叶窗型风屏障的自身参数进行了优化分析。试验结果表明:设置风屏障可明显提高列车运行安全性,设置百叶窗型风屏障相对不设置风屏障列车扭矩系数减小58%;百叶窗型风屏障的防风效果优于传统风屏障(栅栏型和多孔型)的防风效果;百叶窗型风屏障的叶片层数较多、叶片角度旋转范围在90°～180°范围内(使气流导向桥面)时更利于列车安全运行;百叶窗叶片风嘴较钝时不利于车桥气动安全,其中叶片风嘴角度为60°时更优,90°时最不利。

关键词：风屏障气动力车-桥系统风洞缩尺模拟参数优化

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基于子集分裂模拟的车-桥系统极值响应统计

振动与冲击 2020年第5期39卷 105-111,136页

作者：向活跃唐平王涛李永乐西南交通大学土木工程学院成都610031 西南科技大学土木工程与建筑学院四川绵阳621010

车-桥系统的失效属于小概率事件,采用子集分裂模拟方法(Subset Simulation with Splitting,SS/S)对车-桥系统响应进行了分析。首先,采用MATLAB编制了车-桥系统的分析程序,并通过数值算例进行了验证。其次,回顾了SS/S法的基本原理,采用... 详细信息

车-桥系统的失效属于小概率事件,采用子集分裂模拟方法(Subset Simulation with Splitting,SS/S)对车-桥系统响应进行了分析。首先,采用MATLAB编制了车-桥系统的分析程序,并通过数值算例进行了验证。其次,回顾了SS/S法的基本原理,采用自回归模型(Autoregressive Models,AR模型),对轨道不平顺进行条件模拟,给出了车-桥系统响应的SS/S统计分析框架,并采用数值算例进行了验证。最后,针对车-桥系统,利用SS/S得到了车体竖向和横向加速度超越概率,并与蒙特卡洛法(MCS法)进行了对比验证。结果表明:相较于直接MCS方法,SS/S方法可大幅度减少车-桥系统响应极值超越概率曲线估计时所需的样本,显著提高计算效率。

关键词：车-桥系统极值响应 SS/S方法 AR模型

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既有桥梁对相邻车-桥系统气动力的影响分析

振动与冲击 2021年第4期40卷 51-57,65页

作者：严乃杰吴韬臧瑜李永乐郑博文戴建国中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081 西南交通大学土木工程学院成都610031 重庆市轨道交通(集团)有限公司重庆401120 上海市政设计工程研究总院(集团)有限公司上海200092

为了研究既有桥梁对相邻车-桥系统气动力的影响,通过节段模型风洞试验,测试了考虑、不考虑既有桥梁干扰工况下相邻车-桥系统的气动力系数,数值模拟了作用在车-桥系统上的抖振力时程,并计算了抖振力极值。结果表明:既有桥梁对相邻车-桥... 详细信息

为了研究既有桥梁对相邻车-桥系统气动力的影响,通过节段模型风洞试验,测试了考虑、不考虑既有桥梁干扰工况下相邻车-桥系统的气动力系数,数值模拟了作用在车-桥系统上的抖振力时程,并计算了抖振力极值。结果表明:既有桥梁对相邻车-桥系统气动力的影响显著,导致部分工况下列车、桥梁的气动力显著增大,结构设计中应充分考虑邻近桥梁的气动影响;车-桥系统中列车的气动力受既有桥梁的影响更大;受既有桥梁影响,不同工况下,列车横向力系数最大增幅、减幅分别为39.3%和-143.1%,列车升力系数最大增幅、减幅分别为52%和-68.2%;不同工况下桥梁阻力系数均减小,且最大减幅为-22.4%;迎风侧列车抖振横向力、抖振升力幅值均显著增大,背风侧列车抖振力幅值变化相对较小;桥梁抖振力阻力幅值减小,抖振升力和抖振升力矩幅值略有增大;列车抖振横向力、抖振升力的极值增幅分别为35%和67%;桥梁抖振阻力的极值减幅为-22.9%,抖振升力、抖振升力矩的极值增幅分别为48.5%和37.5%。

关键词：车-桥系统风洞试验数值模拟气动力系数抖振力

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不同车辆模型对车-桥系统动力分析的影响

振动与冲击 1992年第1期11卷 89-98页

作者：苏木标石家庄铁道学院

本文讨论了车辆模型中各种位移自由度对车一桥系统动力分析结果的影响。根据轮轨间的相互作用,并考虑轨道的不平顺,推导了车-桥系统的动力方程。文章按七种不同的车辆模型计算了列车分别以五种不同的速度过桥时桥梁的空间动力响应以及... 详细信息

本文讨论了车辆模型中各种位移自由度对车一桥系统动力分析结果的影响。根据轮轨间的相互作用,并考虑轨道的不平顺,推导了车-桥系统的动力方程。文章按七种不同的车辆模型计算了列车分别以五种不同的速度过桥时桥梁的空间动力响应以及列车在桥上不同位置时车-桥系统的自振频率和振型。通过分析和比较,对车辆模型中各种自由度对车-桥系统动力分析的影响有了比较清楚的认识。

关键词：车辆车-桥系统动力分析振动

人-车-桥耦合系统振动分析及乘客舒适度评价

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机械科学与技术 2014年第9期33卷 1387-1392页

作者：刘习军张西强张素侠天津大学机械工程学院天津300072 天津市非线性动力学与混沌重点实验室天津300072

基于8自由度人椅动力学模型和31自由度车辆模型建立人-车-桥耦合系统,车辆与轨道桥梁通过轮轨接触力及位移协调条件耦合,建立人-车-桥耦合振动方程,采用Newmark-β法对方程组进行求解。对国产300 km/h动力分散式列车的过桥行走过程进行... 详细信息

基于8自由度人椅动力学模型和31自由度车辆模型建立人-车-桥耦合系统,车辆与轨道桥梁通过轮轨接触力及位移协调条件耦合,建立人-车-桥耦合振动方程,采用Newmark-β法对方程组进行求解。对国产300 km/h动力分散式列车的过桥行走过程进行分析,采用乘坐舒适度指标对人体振动舒适性进行评价,并讨论了轨道不平顺等级、车速、乘客数量以及乘客位置对人体舒适程度的影响。

关键词：车-桥系统人体动力模型乘坐舒适度

突变风下车-桥系统三分力系数演化规律的CFD分析

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铁道科学与工程学报 2024年

作者：肖洋何旭辉中南大学土木工程学院中南大学高速铁路建造技术国家工程研究中心

为研究突变风作用下车-桥系统三分力非定常特性问题，以某大桥工程为背景，采用ANSYS Fluent有限元软件建立流线型箱梁和钝体和谐号列车精细化二维数值模型，基于UDF在模型速度入口设置6种突变风工况分析不同加速度和有无初速度作用下的... 详细信息

为研究突变风作用下车-桥系统三分力非定常特性问题，以某大桥工程为背景，采用ANSYS Fluent有限元软件建立流线型箱梁和钝体和谐号列车精细化二维数值模型，基于UDF在模型速度入口设置6种突变风工况分析不同加速度和有无初速度作用下的车-桥系统三分力及其系数演化规律。通过与均匀流对照，研究结果表明：在各突变风工况中，车-桥系统在加速初始和结束时刻会出现阻力跃升和跃跌，这可能与加速度的有无相关，其中流线型箱梁在加速过程中出现阻力超冲现象，超冲系数值最大可达4.1，而钝体列车超冲系数值维持在1.0-1.1之间，基本无阻力超冲现象。此外，比之无初速工况，有初速会降低阻力超冲系数值。3个气动力系数均出现显著的非定常特性，在加速初段，升力系数CL(t)、阻力系数CD(t)和扭矩系数CM(t)波动幅度大，加速后段逐步平稳，回到均匀流相应水平。其中无初速的工况车-桥系统三分力系数非定常效应比有初速工况更为明显。在不同加速度的工况之间，非定常效应也存在差异性，对于有初速的突变风工况，在一定范围内，车-桥系统三分力系数非定常效应随着加速度的增大而增大，而对于无初速的工况则随着加速度的增大而减小。可见，有无初速度和加速度的大小是影响突变风下车-桥系统三分力系数非定常特性的因素。研究结果可为突变风作用的气动力非定常特性研究和高速列车行车安全性提供一定参考。

关键词：突变风车-桥系统超冲系数三分力系数非定常效应 CFD