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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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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

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热处理工艺对SLM打印波纹管耐撞性影响

中南大学学报（自然科学版） 2024年第5期55卷 1931-1939页

作者：姚曙光余小龙黄冲许平周亿莉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

为了获得稳定的轴对称变形模式和较好的耐撞性,设计轴向轮廓为正弦曲线的薄壁锥形波纹管。采用SLM制备AlSi10Mg合金试样和波纹管,并进行拉伸实验和波纹管轴向压溃实验,采用实验和数值仿真研究退火、固溶和T6热处理对波纹管轴向压缩下耐... 详细信息

为了获得稳定的轴对称变形模式和较好的耐撞性,设计轴向轮廓为正弦曲线的薄壁锥形波纹管。采用SLM制备AlSi10Mg合金试样和波纹管,并进行拉伸实验和波纹管轴向压溃实验,采用实验和数值仿真研究退火、固溶和T6热处理对波纹管轴向压缩下耐撞性的影响。研究结果表明:265℃退火热处理后,波纹管在静压下出现裂纹失效,与未热处理相比,AlSi10Mg合金试样经T6热处理后伸长率由4.7%提升至13.8%,拉伸强度由413.2 MPa降低至135.3 MPa。波纹管压溃力波动范围随伸长率增加而减小。经265℃、2 h退火处理后,波纹管峰值力达到最大为7.11 kN,压溃力波动幅值最大,压溃力效率为65.9%。经T6热处理后,波纹管峰值力降到最小,为4.75 kN,压溃力波动为所有波纹管中最小,吸能量最少,为279.12 J。与T6热处理相比,经295℃、3 h退火热处理后,波纹管平均压溃力达到5.09 kN,提升了16%,吸能量达到最大,为341.24 J,提升了18.5%。为了提升SLM打印的波纹管耐撞击性能,热处理工艺需要在保证伸长率的同时尽量提高材料强度。

关键词：波纹管 SLM打印热处理耐撞性

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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

隧道竖井高度对高速列车火灾烟气输运特性的影响

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第7期55卷 2819-2830页

作者：周丹唐健瑜唐子童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

为研究隧道竖井高度对高速列车火灾烟气输运特性的影响规律,采用带有浮力修正的RNG k-ε双方程模型和体积热源模型,构建隧道高速列车运动火灾数值仿真方法,并通过动模型试验验证数值模拟方法的可靠性。研究结果表明:对于着火列车迫停于... 详细信息

为研究隧道竖井高度对高速列车火灾烟气输运特性的影响规律,采用带有浮力修正的RNG k-ε双方程模型和体积热源模型,构建隧道高速列车运动火灾数值仿真方法,并通过动模型试验验证数值模拟方法的可靠性。研究结果表明:对于着火列车迫停于竖井上游的火灾场景,竖井高度变化对烟气输运特性的影响主要体现在停车后期;列车停车360 s时,随竖井高度增大,竖井烟囱效应增强,隧道拱顶纵向流速正峰值增大,而隧道拱顶温度峰值呈减小趋势。对于着火列车迫停于竖井下游的火灾场景,竖井烟囱效应以及隧道内活塞风对火灾烟气输运起主导作用;列车停车90 s时,烟气出现逆流现象,随着竖井高度增大,火源上游烟气逆流速度峰值增大,烟气逆流长度先增大后保持不变,当竖井高度由20 m增大至100 m时,火源上游高温烟气逆流至竖井底部所需时间缩短253 s;列车停车360 s时,隧道拱顶处温度峰值的变化规律发生改变,当竖井高度由20 m增大至100 m时,隧道拱顶处温度峰值先增大后减小。

关键词：高速列车火灾隧道竖井移动火源烟气输运

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