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轻质隔声夹层板结构声振耦合拓扑优化

中南大学学报（自然科学版） 2024年第6期55卷 2273-2285页

作者：徐娇胡捷姚松李家春陶猛曹文康贵州大学机械工程学院贵州贵阳550025 贵州大学现代制造技术教育部重点实验室贵州贵阳550025 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

为了满足夹层板结构轻质及隔声性能优化需求,提出了一种基于线性材料插值模型的三场浮动投影动力学拓扑优化方法,进行夹层板结构声振耦合拓扑优化设计。首先,结合混合位移/声压(u/p)有限元格式和线性材料插值模型,解决多场耦合界面依赖... 详细信息

为了满足夹层板结构轻质及隔声性能优化需求,提出了一种基于线性材料插值模型的三场浮动投影动力学拓扑优化方法,进行夹层板结构声振耦合拓扑优化设计。首先,结合混合位移/声压(u/p)有限元格式和线性材料插值模型,解决多场耦合界面依赖性问题和低密度区域局部模态问题;其次,面向三维轻质夹层板结构声振耦合特性,建立以隔声性能最大化为目标,轻量化体积分数为约束的优化范式;第三,依托阻抗管隔声性能试验场景,对三维夹层板结构有限元数值模型进行拓扑优化设计,并结合阻抗管试验验证方法的准确性和有效性;最后,将所得优化构型与常见夹层板构型的隔声性能进行对比。研究结果表明:采用所提方法可获得性能优越的新颖拓扑构型,1100~1300 Hz优化目标频段对应的优化目标隔声性能即传声损失总值从197.62 dB提升到205.09 dB,且数值仿真结果与试验结果吻合良好。在结构同等质量下,优化目标频段拓扑构型的隔声量性能优于常见开孔/闭孔矩形蜂窝状、蜘蛛网状夹层板结构的隔声量性能。

关键词：轻质夹层板结构声振耦合拓扑优化浮动投影函数隔声性能阻抗管隔声试验

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过盈配合工况下收缩管吸能特性分析及结构参数优化

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铁道科学与工程学报 2024年第4期21卷 1677-1689页

作者：许平杨雨晖阳程星邢杰姚曙光邹帆中南大学轨道交通安全教育部重点实验室湖南长沙410075 中南大学交通运输工程学院湖南长沙410075

轨道车辆收缩管在轴向冲击载荷及过盈配合下的吸能特性是吸能结构研究中的重要课题,其吸能过程依靠收缩管与锥形衬套之间的摩擦做工及收缩管的塑性变形实现,过盈配合通过影响收缩管与衬套间的接触力提高收缩管的能量耗散。为提高收缩管... 详细信息

轨道车辆收缩管在轴向冲击载荷及过盈配合下的吸能特性是吸能结构研究中的重要课题,其吸能过程依靠收缩管与锥形衬套之间的摩擦做工及收缩管的塑性变形实现,过盈配合通过影响收缩管与衬套间的接触力提高收缩管的能量耗散。为提高收缩管的吸能特性,研究过盈配合对吸能能力的影响,采用试验与有限元模型相结合的方法,基于多目标优化算法获取包括过盈量在内的收缩管最优结构参数。进行空心轴与轴套过盈静压试验,验证接触力理论公式的正确性;利用台车冲击试验研究收缩管碰撞过程中的吸能特性,构建有限元模型进行验证;推导过盈配合条件下收缩管接触表面压力的理论模型;使用全因子和Hammersley设计方法对过盈配合工况下收缩管结构参数进行研究,包括厚度(T)、过盈量(I_(ntf))、锥角长边(α_(x))和收缩比(R_(atio))。基于此,利用移动最小二乘法(MLSM)构建峰值力(PCF)、比吸能(SEA)和平均力(MCF)的近似模型。主效应分析表明,收缩比对PCF、SEA和MCF的影响最为显著。以获取最小PCF、最大SEA以及MCF最接近设计要求650 kN为优化目标,进行全局响应面(GRSM)优化,获得最优结构配置,与初始设计相比,SEA提高28.54%,PCF降低12.37%。代理模型最优解得出的MCF与有限元模型误差为2.01%,证明构建的代理模型具有较高的精度,可用于优化计算。优化后的结构有效提高了收缩管的吸能能力,降低了碰撞的初始峰值力。

关键词：收缩管过盈配合耐撞性设计结构参数分析多目标优化

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

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风切变下评价方法对高速列车振动舒适性评价结果的影响

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铁道科学与工程学报 2024年

作者：刘东润李田钟睦鲁寨军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中南大学轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室

科学合理地评价乘坐舒适性对于风区高速列车运行性能的提升至关重要。针对在大风专项试验中发现的新问题，既有平稳性指标在风切变下的评价结果，与司乘人员实际感受差异巨大，表明现有舒适性指标在风切变下的应用存在局限开展研究。首... 详细信息

科学合理地评价乘坐舒适性对于风区高速列车运行性能的提升至关重要。针对在大风专项试验中发现的新问题，既有平稳性指标在风切变下的评价结果，与司乘人员实际感受差异巨大，表明现有舒适性指标在风切变下的应用存在局限开展研究。首先，对既有不同振动舒适性评价方法 Sperling指标、ISO-2631、EN-12999、UIC-513、以及GB-5599等进行了系统梳理和评估差异的理论分析；其次，结合不同评价方法要求，通过多体动力学方法和人体动力学参数模型，建立了可一体描述车体与人体动力学影响的六自由度列车—座椅—人体耦合模型；在此基础上，进一步将风切变下实测列车气动载荷作为输入激励，分析了真实气动载荷作用下现有舒适性指标评估流程、频率加权曲线等对评价结果的影响，揭示了评价结果产生差异的原因；最后，基于既有振动舒适性评价方法，对风切变下高速列车振动舒适性的评价从指标参数、测点位置以及评价过程三个方面进行了建议和补充。研究结果表明：由于频率加权曲线和对各个方向振动的考虑形式不同，导致不同评价方法对人体敏感频率的侧重和振动形式的权重存在差异；建议风切变下振动舒适的评价方法将侧滚角速度和角加速度纳入并增加相应测点位置，同时旋转振动幅值可对转动舒适性进行评价，能在一定程度上反映出风切变下转动振动对振动舒适性的影响。

关键词：高速列车风切变舒适性评价方法标准

高速列车曲线通过性能分析及脱轨影响因素研究

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铁道科学与工程学报 2024年第3期21卷 901-912页

作者：高广军卓天宇关维元重载快捷大功率电力机车全国重点实验室湖南长沙410075 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 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

列车往往会因为线路不平顺或自身运行状态问题发生脱轨事故,由于实际运行情况下列车以编组形式出现,因此对编组列车脱轨评价对象的筛选以及在此基础上的影响因素分析是至关重要的。在SIMPACK中建立编组列车动力学仿真模型,针对脱轨系数... 详细信息

列车往往会因为线路不平顺或自身运行状态问题发生脱轨事故,由于实际运行情况下列车以编组形式出现,因此对编组列车脱轨评价对象的筛选以及在此基础上的影响因素分析是至关重要的。在SIMPACK中建立编组列车动力学仿真模型,针对脱轨系数和轮重减载率这2种评价指标,采用数值仿真分析方法筛选典型运行状态下8编组列车在不同评价体系下的评价对象,比较轨道不平顺性、轨底坡、运行速度、曲线半径以及曲线超高这5种脱轨影响因素的变化规律,并采用全因子采样的方法对影响因素进行均匀采样,应用Sobol全局敏感性分析方法对影响列车脱轨的影响因素进行权重分析。研究结果表明:在编组列车26种不同工况下,第1节车的相同位置脱轨系数较其他车辆最大,该车前转向架前轮对的轮重减载率及其弯道内侧车轮的脱轨系数最大的情况分别占85%和81%,两者可以作为编组列车脱轨影响因素分析的目标。轨道不平顺性系数和轨底坡对于高速列车脱轨的影响较小,其变化趋势接近线性。运行速度对于高速列车运行安全性的影响最大,其次是曲线半径,然后则是曲线超高。运行速度对于列车运行产生的影响相对较大,即最容易导致列车曲线通过脱轨事故的发生,在实际运行环节中应当予以重视。

关键词：编组列车脱轨因素对象评估 Sobol全局敏感性分析轨道安全

地铁列车刨削式防爬吸能结构冲击力平稳行为参数优化

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铁道科学与工程学报 2024年第3期21卷 1232-1243页

作者：许平魏鲁宁邢杰关月溪杨雨晖郭维年杨丽婷中南大学交通运输工程学院教育部轨道交通安全重点实验室湖南长沙410075 中南大学铁道车辆安全技术国家与地方联合工程研究中心湖南长沙410075

为提升地铁列车在碰撞过程的平稳性和耐撞性,提出一种刨削式吸能防爬器。该吸能结构因其抗偏载能力强,结构紧凑等优点被广泛应用于地铁列车的端部吸能结构中。以某型地铁列车的刨削式防爬器为研究对象,使用有限元仿真的方式建立该吸能... 详细信息

为提升地铁列车在碰撞过程的平稳性和耐撞性,提出一种刨削式吸能防爬器。该吸能结构因其抗偏载能力强,结构紧凑等优点被广泛应用于地铁列车的端部吸能结构中。以某型地铁列车的刨削式防爬器为研究对象,使用有限元仿真的方式建立该吸能结构的对称简化模型,并结合台车冲击的试验数据验证有限元模型的准确性;通过数值仿真的方式,将刨刀前角(α)、刨刀后角(β)、刨刀宽度(w)和刨削深度(d)作为输入变量,以总吸能量(E_(A))和吸能阶段的平均刨削力(M_(PF))为耐撞性指标,以样本方差(S^(2))作为考核参照,通过全因子法对输入变量进行参数化分析;在此基础上,利用径向基函数构建代理模型,并采用多目标遗传算法(MOGA)对该吸能结构的主要设计参数进行优化设计,以确定结构参数的最佳的配置方案。研究结果表明:在该型刨削式防爬吸能结构的主要设计尺寸参数中,β对E_(A)、M_(PF)以及S^(2)的影响均不明显;α对MPF、E_(A)呈负相关,同时与S^(2)呈正相关;w和d对E_(A)与M_(PF)呈正相关、与S^(2)呈负相关;通过优化设计得到的吸能结构的最优的参数设计方案中:d为3.94 mm;α为7.78°,w为34 mm;最优设计方案的E_(A)提高了5.91%,M_(PF)提高了5.89%,S^(2)降低了45.4%,耐撞性与平稳性得到了提高。研究结果可为地铁列车刨削式防爬吸能结构的设计提供工程参考。

关键词：地铁列车刨削式防爬器耐撞性台车试验平稳性多目标优化

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基于改进模糊滑模控制的列车速度跟踪研究

铁道学报 2024年第4期46卷 97-107页

作者：康庄贾利民秦勇北京交通大学交通运输学院北京100044 北京交通大学先进轨道交通自主运行全国重点实验室北京100044 北京交通大学轨道交通安全协同创新中心北京100044

列车运行过程具有强耦合、非线性等特征,且往往存在较大且不可观测的外界干扰,这些特性加大了列车运行控制的难度,针对列车运行速度跟踪控制问题,提出一种新的模糊滑模控制器设计方法。首先基于模糊滑模控制,引入全局快速终端滑模控制,... 详细信息

列车运行过程具有强耦合、非线性等特征,且往往存在较大且不可观测的外界干扰,这些特性加大了列车运行控制的难度,针对列车运行速度跟踪控制问题,提出一种新的模糊滑模控制器设计方法。首先基于模糊滑模控制,引入全局快速终端滑模控制,使系统在有限时间内达到稳态;然后构造以李亚普洛夫函数导数的绝对值为补偿的自适应干扰估计项,对外界干扰进行准确估计,进而提出一种双层递阶指数趋近全局快速终端模糊滑模控制器,并且引入指数趋近率来调节滑模面的动态品质,该控制器能快速收敛到稳定状态,且有效地消除了控制器的抖振情况;最后通过仿真算例验证了所提方法的有效性,且提高了列车运行控制系统性能。

关键词：列车速度跟踪滑模控制模糊系统全局快速终端滑模控制指数趋近率外界干扰

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固体废弃物制备矿用防灭火复合凝胶研究进展

煤炭科学技术 2024年第8期52卷 96-105页

作者：李倓赵恒泽李晔赵艺华北理工大学应急管理与安全工程学院河北唐山063210 河北省矿业开发与安全技术重点实验室河北唐山063210

我国工业固体废弃物排放量大,容易对生态环境造成破坏并威胁人类健康,工业固体废弃物的资源化再利用已引起社会的广泛关注。根据固体废弃物的潜在防灭火特性,其可以作为原材料用于制备矿用防灭火复合凝胶,在实现废弃资源循环再利用的同... 详细信息

我国工业固体废弃物排放量大,容易对生态环境造成破坏并威胁人类健康,工业固体废弃物的资源化再利用已引起社会的广泛关注。根据固体废弃物的潜在防灭火特性,其可以作为原材料用于制备矿用防灭火复合凝胶,在实现废弃资源循环再利用的同时还能达到防治煤矿自燃火灾的目的。为了进一步推动工业固体废弃物在矿用防灭火复合凝胶材料中的资源化利用,完善和发展其在煤矿火灾防治中的应用,总结了矿用防灭火复合凝胶的防灭火机理,归纳了固体废弃物的防灭火特性,讨论了固体废弃物制备矿用防灭火复合凝胶的成胶机理和影响因素,阐述了矿用防灭火复合凝胶的注胶工艺及应用现状。基于当前的研究,发现固体废弃物复合凝胶的成胶机理不明确、固体废弃物胶凝活性未有效激发、固体废弃物复合凝胶的运输过程存在沉淀管堵以及固体废弃物应用时的安全性等问题,针对性提出了解决方向,如微尺度模拟、复合激活、新型激活材料、智能化注胶及离子固化等。并在以上解决方向基础上展望了今后固体废弃物制备矿用防灭火复合凝胶的研究重点,未来将围绕固体废弃物在制备防灭火复合凝胶的高效利用、固体废弃物复合凝胶的长效防灭火、智能凝胶防灭火监控一体化系统等展开研究。这些研究方向有助于工业固体废弃物在矿用防灭火复合凝胶材料方面的高附加值利用,并规模化用于煤矿自燃火灾的防治,保障国家财产及工人生命安全。

关键词：固体废弃物复合凝胶防灭火成胶机理注胶工艺

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升力翼高速列车前后翼干扰特性研究

中南大学学报（自然科学版） 2024年第5期55卷 1806-1821页

作者：张宝珍熊小慧汪欣然耿嘉旭重载快捷大功率电力机车全国重点实验室湖南株洲412000 中车株洲电力机车有限公司湖南株洲412000 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

在高速列车车顶安装升力翼旨在通过提高列车气动升力减小轮轨作用力,是一种新型等效减重的手段。升力翼安装到高速列车顶部后,其工作环境与航空相比有很大不同,升力翼与升力翼之间存在相互干扰。以三车编组1꞉10缩比某型CRH高速列车模型... 详细信息

在高速列车车顶安装升力翼旨在通过提高列车气动升力减小轮轨作用力,是一种新型等效减重的手段。升力翼安装到高速列车顶部后,其工作环境与航空相比有很大不同,升力翼与升力翼之间存在相互干扰。以三车编组1꞉10缩比某型CRH高速列车模型为研究对象,采用改进型延迟分离涡模拟(IDDES)方法,分别针对不同高度和不同间距布局的两翼高速列车进行数值模拟分析,探讨前后升力翼布局对升翼力列车气动力和周围流场结构的影响规律及其作用机理。研究结果表明:对于不同间距布局,当后翼距离前翼过近时,前翼翼尖涡流的干扰导致流速加大,压差变小,最终使气动升力有所降低;而当前后翼间距过大时,即后翼远离前翼尾流干扰范围,后翼由于无法受到前翼下洗气流的正向作用,使得升力减小。对于不同高度布局,错落式布局下前翼的尾流涡旋由于高度差的原因远离后翼,相较于等高式布局,错落式布局中前翼尾流对后翼造成的干扰程度较小。错落式布局的列车整体升力性能优于等高式布局的列车整体升力性能,且前低后高式布局下,列车的增升效果最好。综合不同间距和不同高度布局的结果可知,对于两翼高速列车,翼间距为0.90H时前低后高式布局的整车气动性能最优,尤其是列车升力可以得到显著提升。

关键词：高速列车升力翼翼间干扰特性计算流体力学