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轻量化高速列车制动盘材料-结构研究进展

中南大学学报（自然科学版） 2024年第6期55卷 2414-2431页

作者：姚曙光周亿莉许平龙雅婷阳程星中南大学轨道交通安全教育部重点实验室湖南长沙410075 中南大学轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室湖南长沙410075 中南大学轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心湖南长沙410075

400 km/h高速列车紧急制动的强热负荷,导致制动盘温升高、温度分布梯度大和热衰减强,已超出钢质制动盘能载极限,开发耐高温强耐磨的制动盘材料,同时提升制动盘通风散热能力成为制动技术发展瓶颈。综述高速制动盘材料从高强度铸钢和锻钢... 详细信息

400 km/h高速列车紧急制动的强热负荷,导致制动盘温升高、温度分布梯度大和热衰减强,已超出钢质制动盘能载极限,开发耐高温强耐磨的制动盘材料,同时提升制动盘通风散热能力成为制动技术发展瓶颈。综述高速制动盘材料从高强度铸钢和锻钢、轻量化铝基复合材料至耐高温耐磨碳陶复合材料和表面改性技术发展历程,随着碳陶复合材料的台架试验和表面改性技术的摩擦磨损试验研究的深化,表面改性轻质复合材料是制动盘材料未来发展方向。概述通风制动盘内部散热层散热筋结构形貌优化、摩擦层表面耐磨性能改善的发展现状,内部散热筋由直通道设计逐渐演化为弯曲、支柱以及分形通道,镂空结构能更好地加速空气流动提高散热;表面摩擦层引入打孔或划线,更易于摩擦粉尘的抛离从而稳定摩擦因数,保持制动效果;但复杂通风导流结构和打孔划线增加了制备工艺的难度,提出高速制动盘结构构型设计需要综合材料热力学性能、制备工艺及耐热耐磨需求,形成材料-结构-功能—体化设计理念,为实现更高速的制动盘优化设计提供参考。

关键词：高速列车制动盘轻质复合材料结构优化设计

基于机器学习的长编重联动车组碰撞能量管理方案优化

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第3期55卷 1218-1230页

作者：姚曙光谢旻翰李治祥张鹏董云辉中南大学轨道交通安全教育部重点实验室湖南长沙410075 中南大学轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室湖南长沙410075 中南大学轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心湖南长沙410075

为有效缓解交通运输压力,采用动车组重联运行可以成倍提高载客量,然而一旦发生碰撞事故,巨大的碰撞能量将造成严重的乘员损伤和财产损失,长编重联动车组碰撞能量管理已成为重点研究对象。本文提出均匀耗散和集中耗散2种碰撞能量管理模式... 详细信息

为有效缓解交通运输压力,采用动车组重联运行可以成倍提高载客量,然而一旦发生碰撞事故,巨大的碰撞能量将造成严重的乘员损伤和财产损失,长编重联动车组碰撞能量管理已成为重点研究对象。本文提出均匀耗散和集中耗散2种碰撞能量管理模式,以头车和中间车车端的吸能装置平台力和压缩行程为设计参数,基于KNN、MLS、RBF和RF的4种机器学习算法,开展长编重联动车组碰撞能量管理方案优化设计。研究结果表明:预测头车吸能量和中间车自身耗散能量方差的最优机器学习模型分别是MLS和RBF,相对误差均在4%以内;头车和中间车的吸能元件平台力是影响头车界面吸能量的主要参数,中间车吸能装置参数是影响中间车界面碰撞能量分布是否均匀的主要参数;集中耗散模式下头车和重联界面吸收了碰撞能量48.24%,中间车界面吸收了碰撞能量51.76%,该能量分配模式要求头车前端吸能装置具有更高的吸能量;均匀耗散模式下头车和重联界面吸收了22.75%的碰撞能量,中间车界面吸收了77.25%的碰撞能量,该能量分配模式会增大车间距导致列车长度增加;优化获得的2种碰撞能量管理方案都能在时速36 km/h对撞工况下保证长编重联动车组车体结构完整,且车体120 ms最大平均加速度分别为2.64g和2.36g。

关键词：长编重联动车组碰撞能量管理多目标优化 NSGA-Ⅱ 机器学习

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转向架腹板结构对高速列车气动噪声的影响

铁道科学与工程学报 2024年第3期21卷 924-935页

作者：袁野杨明智中南大学轨道交通安全教育部重点实验室湖南长沙410075 轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室湖南长沙410075 轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心湖南长沙410075

随着列车运行速度的不断提高,气动噪声问题日益突出,需要有效控制高速列车的气动噪声。为降低高速列车转向架区域的气动噪声,基于IDDES模型与FW-H声学方程,建立转向架不安装腹板及安装腹板的1:8缩比模型,通过数值仿真探究400 km时速下,... 详细信息

随着列车运行速度的不断提高,气动噪声问题日益突出,需要有效控制高速列车的气动噪声。为降低高速列车转向架区域的气动噪声,基于IDDES模型与FW-H声学方程,建立转向架不安装腹板及安装腹板的1:8缩比模型,通过数值仿真探究400 km时速下,转向架区域安装腹板后流场特性、噪声源强度、远场辐射噪声频谱特性和声压级幅值的变化,分析腹板对整车及转向架区域气动噪声的影响。研究结果表明:转向架区域底部安装腹板后,腹板的导流作用减缓了转向架部位的流体冲击和流体相互作用,抑制了转向架区域涡的形成,各频率下,转向架前、后轮对及构架的脉动压力级明显减小,有效降低了转向架区域气动噪声源的强度;转向架安装腹板后,各测点在200~1 000 Hz以及2 000 Hz以上频段的声压级幅值下降,其远场辐射噪声总声压级幅值也有所降低,其中,整车远场辐射噪声总声压级平均值降低2.33 dB(A),转向架辐射噪声总声压级平均值降低4.03 dB(A),转向架辐射噪声能量占整车辐射噪声能量的比例从53.2%下降到27.8%,转向架区域气动噪声得到有效控制;头车一位端转向架的降噪效果最好,辐射噪声总声压级平均值下降了5.88 dB(A),腹板对转向架辐射噪声的控制主要体现在对前、后轮对及构架等部件辐射噪声的控制。研究结果可为进一步优化高速列车气动噪声提供一定参考。

关键词：气动噪声高速列车转向架腹板流场降噪

海拔对隧道救援站列车火灾烟气蔓延特性的影响

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第4期55卷 1602-1617页

作者：周丹张则栋陈涛李金柱陈光中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室湖南长沙410075 中南大学轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室湖南长沙410075 中南大学轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心湖南长沙410075

采用三维非定常N-S方程和完全浮力修正的RNG k-ε湍流模型,基于滑移网格技术实现列车在隧道内的运动过程模拟,构建高海拔隧道紧急救援站列车火灾数值模拟方法,并利用现有动模型试验和隧道静止火灾试验数据验证数值模拟方法的可靠性和正... 详细信息

采用三维非定常N-S方程和完全浮力修正的RNG k-ε湍流模型,基于滑移网格技术实现列车在隧道内的运动过程模拟,构建高海拔隧道紧急救援站列车火灾数值模拟方法,并利用现有动模型试验和隧道静止火灾试验数据验证数值模拟方法的可靠性和正确性,研究海拔对事故隧道、紧急救援站和列车中部车厢附近横通道内的烟气流速和温度分布的影响规律。研究结果表明:当着火列车驶入隧道紧急救援站时,活塞风主导了火灾烟气的蔓延趋势;在列车停车瞬间,随着海拔增大,事故隧道拱顶处和列车中部车厢附近横通道拱顶处的烟气流速峰值及温度峰值逐渐增大;列车停车后,活塞风逐渐衰减,烟气开始在隧道拱顶处向火源上游逆流;随着海拔增大,紧急救援站下游高温区域蔓延范围逐渐扩大,事故隧道拱顶处温度峰值随之升高;随着时间推移,高海拔与低海拔隧道拱顶处的温度峰值差异逐渐增大,可能对更高海拔隧道救援站内的人员安全造成更大的威胁;不同海拔处列车中部车厢附近横通道内人眼高度处的温度均超过330 K(对人体有危害),且在同一时刻,海拔越高,横通道内高温烟气层高度越低,烟气沉降速度明显加快。

关键词：高海拔列车火灾隧道紧急救援站烟气蔓延

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高速列车转向架区域气动发声尺度特征研究

中南大学学报（自然科学版） 2024年第5期55卷 1734-1744页

作者：卢鑫源刘翰林杨志刚吕镇东袁思齐中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室湖南长沙410075 中南大学轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室湖南长沙410075 轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心湖南长沙410075

基于大涡模拟(LES)和声学有限元法,在400 km/h车速条件下,对1:8缩比尺度简化转向架模型进行数值模拟研究,并仿真对比同一模型在1:4、1:8、1:16和1:25缩比下的流场扰动特征及气动发声特征。研究结果表明:转向架区域内前缘剪切流与转向架... 详细信息

基于大涡模拟(LES)和声学有限元法,在400 km/h车速条件下,对1:8缩比尺度简化转向架模型进行数值模拟研究,并仿真对比同一模型在1:4、1:8、1:16和1:25缩比下的流场扰动特征及气动发声特征。研究结果表明:转向架区域内前缘剪切流与转向架本体以及转向架舱之间的耦合作用明显,可见L1和L2两种典型的循环反馈扰动模式;转向架本体结构间也存在次一级扰动,这些扰动增强了剪切流动的不稳定性;这些扰动循环反馈模式即为该区域气动发声的主要模式。尺度变化较显著改变了转向架区域的流场扰动特征,尤其是L2反馈模式;随着尺度减小,表面脉动压力及声源能量向高频迁移,声源能量先减小后增大(变化范围在2 dB内),且构架和后轮对的声源能量占比有所增加;在缩比为1:4、1:8、1:16和1:25时,频率修正后的标准点平均声压级分别为105.5、103.9、104.3、105.1 dB(A)(变化范围在1.6 dB内)。对于全尺寸模型,这种差距将进一步扩大。

关键词：高速列车转向架尺度效应气动噪声大涡模拟声学有限元

地铁列车火灾事故下车门数与平台高度对区间隧道疏散的影响

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第4期55卷 1581-1590页

作者：孙江涛鲁寨军周丹中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室湖南长沙410075 中南大学轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室湖南长沙410075 中南大学轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心湖南长沙410075

地铁列车在隧道内运行过程中突发火灾时,往往不能立即停车进行疏散。列车火灾事故下烟气蔓延严重,加之隧道内环境昏暗、空间狭窄,疏散过程中人员安全受到极大威胁。通过构建列车火灾事故烟气蔓延与区间隧道疏散数值仿真模型,研究列车单... 详细信息

地铁列车在隧道内运行过程中突发火灾时,往往不能立即停车进行疏散。列车火灾事故下烟气蔓延严重,加之隧道内环境昏暗、空间狭窄,疏散过程中人员安全受到极大威胁。通过构建列车火灾事故烟气蔓延与区间隧道疏散数值仿真模型,研究列车单节车厢含4个车门、5个车门与车门距疏散平台高度分别为0、0.3、0.7和1.2 m时的人员疏散行为特征变化规律。研究结果表明:在列车发生火灾事故时,高温烟气受活塞风的影响向火源下游区域蔓延,火源下游区域人员疏散受到极大影响;单节车厢4个车门的疏散总时间比单节车厢5个车门的疏散总时间长;当列车车门距平台高度增加时,人员离开车厢的时间增加,从而增加人员疏散总时间;隧道内高温烟气导致火源上游出口拥堵程度明显比下游出口的拥堵程度高,且列车车门距平台高度增加使得火源上游出口处的拥堵程度得到缓解,火源下游出口拥堵程度先缓解后逐渐加剧。

关键词：地铁区间隧道列车火灾车门数量疏散平台高度区间隧道疏散

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海拔对隧道内列车火灾烟气蔓延特性影响

湖南大学学报（自然科学版） 2024年第8期51卷 231-242页

作者：周丹盛紫琰李金柱陈光张则栋孟爽陈涛中南大学轨道交通安全教育部重点实验室湖南长沙410075 中南大学轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室湖南长沙410075 中南大学轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心湖南长沙410075

为探究海拔高度对隧道内列车火灾烟气蔓延的影响,基于已被验证的数值模拟方法,结合三维非定常N-S方程和RNG k-ε湍流模型,采用滑移网格技术模拟了在隧道内匀速运行的列车发生火灾后减速并最终停在隧道内的整个运动过程,并利用动模型试... 详细信息

为探究海拔高度对隧道内列车火灾烟气蔓延的影响,基于已被验证的数值模拟方法,结合三维非定常N-S方程和RNG k-ε湍流模型,采用滑移网格技术模拟了在隧道内匀速运行的列车发生火灾后减速并最终停在隧道内的整个运动过程,并利用动模型试验和缩尺隧道火灾试验数据验证了数值模拟方法的可靠性.结果表明:海拔高度对隧道内列车停车以后的火灾烟气蔓延影响明显;与低海拔隧道相比,同一时刻高海拔隧道拱顶同一位置处的烟气流速更快,烟气逆流至火源上游50 m处的时刻更早;车体周围温度分布也随着海拔高度的不断增加而呈现出逐渐上升的趋势.与0 m海拔隧道相比,5000 m海拔隧道内烟气逆流至火源上游50 m的时刻提前了102 s,同时列车停车360 s时隧道拱顶处的温度峰值增加了216 K,增幅达到42.9%.

关键词：列车火灾海拔高度数值模拟 RNG k-ε湍流模型

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裙板格栅方向对高速列车设备舱通风性能影响研究

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湖南大学学报（自然科学版） 2024年第2期51卷 132-143页

作者：姜琛汤鑫高广军洪晨周果龙金兰曾雪莲王璠轨道交通安全教育部重点实验室(中南大学) 湖南长沙410075 轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室湖南长沙410075 轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心湖南长沙410075 湖南大学机械与运载工程学院湖南长沙410082

为研究不同方向格栅对高速列车车下设备舱通风性能的影响,以一段某型高速列车实车所用设备舱为试验对象开展了风洞试验,同时基于Realizable k-ε湍流模型构建了风洞试验的数值计算模型.通过风洞试验结果验证了数值模型的准确性,并获得... 详细信息

为研究不同方向格栅对高速列车车下设备舱通风性能的影响,以一段某型高速列车实车所用设备舱为试验对象开展了风洞试验,同时基于Realizable k-ε湍流模型构建了风洞试验的数值计算模型.通过风洞试验结果验证了数值模型的准确性,并获得了一套适用于设备舱裙板格栅区域的网格划分参数.基于经风洞试验验证的数值模型和网格划分参数,建立了头车包含设备舱的三车编组数值计算模型.以不同方向格栅(竖向和横向)为研究对象,分析了300 km/h速度等级下设备舱格栅通风口的通风量及设备舱内部的速度分布情况.结果表明:装配两种格栅时,设备舱的总进风质量流率基本一致,其中,装配竖向格栅时,其两侧的进风质量流率基本一致,但装配横向格栅时,其两侧的进风质量流率有所差异,相较于前者,其y-侧的质量流率减少了6.59%,y+侧的增加了6.79%.装配竖向格栅时,气流均匀地从整个格栅区域进入,其进入方向与列车运行方向相同,且速度较小;装配横向格栅时,气流集中从格栅右侧区域进入,其进入方向与列车运行方向相反,且速度较大.通过综合对比质量流率及设备舱空间气流速度,发现装配横向格栅时的通风性能较优.

关键词：格栅设备舱风洞数值模拟

超高压拱型爆破片中操作比对爆破压力作用机理仿真研究

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安全与环境学报 2024年

作者：鲁寨军冯书颖孙永龙刘杰夫轨道交通安全教育部重点实验室轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心

十字开槽正拱型爆破片具有响应快、无碎片飞溅等优点，在使用过程中操作比（工作压力与爆破压力的比值）对爆破性能的影响值得研究，对十字开槽正拱型爆破片进行动态爆破试验，并建立有限元仿真模型，通过动态爆破试验结果验证其可靠性... 详细信息

十字开槽正拱型爆破片具有响应快、无碎片飞溅等优点，在使用过程中操作比（工作压力与爆破压力的比值）对爆破性能的影响值得研究，对十字开槽正拱型爆破片进行动态爆破试验，并建立有限元仿真模型，通过动态爆破试验结果验证其可靠性；对不同操作比下的爆破片爆破性能进行研究，总结爆破压力变化规律，发现随着操作比的增大，爆破压力出现了减小，与无操作比影响时的相对偏差出现部分大于10%的情况，爆破压力减小的幅度由大变小，转折点出现在操作比为30%～70%的范围内，且转折点随拱高的增加逐渐右移，爆破片的拱高和爆破压力的稳定性大致呈正比，主要原因与残余应力和塑性形变有关。

关键词：安全工程十字开槽正拱型爆破片操作比动态爆破爆破性能