全尺寸飞行器地面振动试验数字化协同探索与实践

全尺寸飞行器地面振动试验具有协调界面多、试验系统复杂、实施周期长、试验风险高等特点,面向先进飞行器高效协同研制需求,必须引入数字化手段提升物理试验能力。通过梳理传统模式飞行器地面振动试验流程,剖析数字化协同试验要素,从试验方案与实施流程的数字化、试验对象的数字化、试验系统的数字化等方面出发,探索并初步构建全尺寸飞行器地面振动试验的数字化方案。指出当前数字化协同模式对降低试验风险、提高试验效率具有显著助益,未来需要进一步推进数实融合仿真、应用平台开发,以推动数字化成熟落地。

高铁荷载下路堤和路堑段地面振动特性现场测试与数值分析

对巴黎-布鲁塞尔高速铁路地面振动开展现场测试,对比分析了高铁运行引起的路堤和路堑段地面振动特性以及传播衰减规律。基于2.5维有限元法基本原理,推导并建立了高铁荷载下路堤和路堑段2.5维有限元动力计算模型,详细讨论了路堤和路堑设计参数对地面振动特性的影响。结果表明:距轨道较近处的地面振动幅值主要受列车轴重影响,而距轨道较远处则由中间车相邻转向架轮对的叠加效应主导。高铁运行引起的路堤和路堑段地面振动随与轨道距离增加而减小,中高频成分振动的衰减速率显著大于其他频段。路堤和路堑段地面振动1阶主频主要由列车荷载的基频f_1主导,随车速提高逐渐向高频方向移动。路堤和路堑对地面振动的衰减规律有重要影响,路堤段地面振动随与轨道间距的衰减过程可分为两个阶段,而路堑段地面振动衰减过程则可分为三个阶段,且振动在堑顶处有较为明显的局部放大现象。当与路堤段轨道间距≥19.0 m(路堑段≥23.0 m)后,地面振动Z振级VL_Z均小于80.0 dB。同时,高铁荷载下地面振动随路堤高度或路堑深度的增加而减小,当超过某一限值时,继续增加路堤高度或路堑深度难以有效减小地面振动。路堤段地面振动随路堤弹性模量的增大而减小。此外,在确保稳定性的前提下,较陡的路堑边坡更有利于减小高铁运行引起的地面振动。

飞机地面振动试验激振方案优化与工程验证

地面振动试验是飞机型号研制与强度验证中的重要环节,在试验设计阶段一个合理的激振方案能够显著缩短后续试验周期,提升模态辨识精度。基于飞机有限元模型采用QR分解对激振位置进行考虑试验目标的全局规划,进而引入模态参与对激振点布置方案的激振效率进行定量评估,同时针对密集模态测试问题,采用多变量模态指示函数对激励力矢量进行优化,并将上述方法应用于小型通用飞机地面振动试验中,验证优化后激振位置规划方案及密集模态识别方法的工程应用效果。结果表明:本文采用的激振方案优化方法能够显著提升试验效率,降低了密集模态辨识难度,具有较高的工程应用价值。

基于GNSS监测数据的巨厚松散层下采煤对地面振动影响及沉陷过程研究

针对煤炭地下采掘对地面振动的影响过程,本文以皖北某大型矿井为例,通过连续采集全球导航卫星系统(GNSS)监测数据,探究了巨厚松散层下煤矿开采对地面振动和沉陷的影响,使用FLAC^(3D)数值模拟软件对地层数据进行建模,模拟地下采煤机械运行时的振动传播过程。结果显示,随着振动波从煤层巷道顶部沿松散层向上传播,振动能量逐渐衰减,尤其在厚层黏土层中衰减最为明显。随后,利用变分模态分解(VMD)和频谱分析,对地面振动数据进行处理和分析,发现地下机械开采振动经松散层后的频率特征,以及振动通过松散层传递后的衰减规律。同时,对监测站的沉陷数据进行分析,发现沉陷过程呈现先升后降的变化趋势,活跃期的沉陷量占总量的91%。分析了影响因素及振动影响的持续时间。本文研究结果为采煤活动安全管理和环境保护提供了科学依据。

地铁车辆段咽喉区地面振动传播规律实测与分析

实测广州地铁3号线厦滘车辆段咽喉区直、曲线段列车运行引起的周围地面振动影响,分析列车引起地面振动加速度在时、频域内的传播规律。结果表明,咽喉区直线段在轨道35 m范围内,地面竖向振动加速度级为72~95d B,略大于水平振动加速度级62~95 d B;咽喉区曲线段在轨道25 m范围内,地面竖向振动加速度级为70~98 d B,略小于水平振动加速度级80~98 d B;对地铁车辆段咽喉区临近的环境振动评价时,应同时考虑水平、竖向振动影响;中高频振动随距离增加衰减速度较低频快,咽喉区列车运行引发的振动传递到临近建筑物时主要频率成分为4~60 Hz。建议在车辆段减振措施设计时应重点考虑中低频振动的减振方案;在路基外侧沿轨道方向结合排水设施设置明沟利于减弱车辆段列车运行引发的振动传播。

秦-沈铁路列车运行引起的地面振动实测与分析

秦皇岛-沈阳铁路是国内一条快速客运专线,2002年由铁道部组织了第2次综合试验,对垂直线路不同距离、不同行车速度下的地面振动进行了现场测试。首先分析了实测地面竖向振动加速度特征,重点讨论列车编组及行车速度对地面振动的影响。将轨道作为弹性地基上的梁,考虑轨枕的离散作用,建立了运行车辆-轨道-地面振动模型。基于薄层法原理,推导了柱坐标系下的二次形函数薄层法,求得分层土体的稳态响应,首次对秦皇岛-沈阳快速客运专线产生的地面振动进行了分析。结果表明:移动轴重作用率对加速度频谱起控制作用;因列车速度远小于地基的瑞利波速,故未出现地面振动放大现象;振动加速度与轮轴荷载呈线性增加趋势。

桥上列车高速运行引起的地面振动试验研究

为了研究高速铁路高架段车致地面振动的传播和衰减规律，以津秦客专线32m简支梁桥区段为工程背景，实测高速列车以速度250～385km／h通过时的三向地面振动响应，并对实测数据进行时域和频域分析．研究结果表明：近场测点的加速度时程呈现出明显的列车周期性加载现象，轴距及前后车相邻转向架间距的激励频率起主要作用；地面各测点在顺桥向、横桥向和垂向3个方向上的振动优势频率范围为25～80Hz；随着距离的增加，垂向地面振动在优势频段显著衰减，而顺桥向和横桥向地面振动在1—80Hz频段内均明显衰减；各测点在各测试车速下，垂向地面振动比顺桥向和横桥向大，而同一测点在顺桥向和横桥向的地面振动加速度级最多相差2dB；顺桥向和横桥向地面振动在距振源约30m处出现放大现象；车速为250～320km／h时，近场总体振动加速度级随车速增加而增大约6dB，但车速为330—385km／h时的各测点总体振动加速度级相差不超过2dB．

2.5维有限元分析饱和地基列车运行引起的地面振动

从饱和土的Biot波动方程出发,通过对时间的Fourier变换得出频域内的波动方程,再结合边界条件利用Galerkin法推导出频域内的u–p格式的有限元方程。把轨道视为饱和地基上的Euler梁,通过沿轨道方向的波数变换将三维空间问题降为平面应变问题。将平面应变问题解答沿轨道方向进行波数扩展,最后通过快速Fourier逆变换求得三维时域–空间域内的地面振动响应。假设体波波阵面为半圆柱形式,推导出了适合饱和多孔介质2.5维有限元的黏弹性人工边界。验证了计算模型。结果表明:车速低时,弹性介质的竖向位移大于饱和介质;高速时,饱和介质竖向位移大于弹性介质。车速略微超过饱和土剪切波速时地面产生振动增大现象,随车速进一步增加位移幅值又逐渐减小,但随距离的增加衰减变慢,且得出了不同车速时孔隙水压力随深度的变化曲线。

地铁引起的地面振动及其对精密仪器的影响

采用高灵敏度传感器,测试正常运营的地铁和地面车辆引起的地面垂向振动加速度。将地面振动时程转换为频域内1/3倍频程频谱,研究正常运营的地铁和地面车辆引起的地面振动特性;同时,参考电子显微镜Tecnai30的环境振动标准,探讨地面振动对精密仪器的影响规律。研究结果表明,地面振动存在一个"等振频率",在小于"等振频率"范围,地面振动主要受背景振动制约,而距离的影响很微弱;在大于"等振频率"范围,地面振动主要受距离的影响,背景振动的作用仅次于距离。小于"等振频率"的低频地面振动对精密仪器影响较大,其影响程度主要受背景振动的影响;而在大于"等振频率"范围,地面振动对精密仪器的影响随着距线路中心线距离的增加而减弱。地铁与地面车辆的地面振动的叠加,在6～30 Hz频段容易对精密仪器产生影响。

铁路交通地面振动的列车-轨道-地基耦合数值方法研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论,提出了一种研究列车引起地面振动的数值方法。将车辆简化为用弹簧阻尼元件连接的多刚体系统,轨道用组合有限梁单元划分,地基计算域内用三维六面体有限单元划分,计算域边界的阻抗和散射特性由三维粘弹性动力人工边界模拟。假定8节车辆编组的列车以200 km/h的速度运行,用所提方法对其产生的地面振动特征进行了仿真分析;通过和已有研究结果的对比说明,该方法的计算结果和解析方法的计算结果吻合,能对列车引起的地面振动进行初步预测。

基于现场测试的曲线段地铁地面振动传播规律

在地铁区间为小半径曲线、地面无干扰振源并可以布置高密度测点的珍贵测试条件下,采用高灵敏度数据采集与分析系统,对北京地铁某曲线段进行地面振动测试。根据测试数据,研究地铁列车通过曲线段时引起地面振动加速度的时域和频域内传播规律。结果表明:在距离隧道中心线100m范围之内,地铁运营引起地面振动加速度的时程峰值主要在10-2 m·s-2量级,远大于背景振动下的10-4 m·s-2量级;在距离隧道中心线50m范围之内,水平振动强度是竖向振动强度的2～4倍,建议在涉及曲线段地铁的环评中应同时考虑竖向振动和水平振动的影响;水平振动加速度的主要频率成分为30～120Hz,建议在关于曲线段地铁的试验、测试和模拟中应选取较宽的频率分析范围;地面振动加速度频谱幅值随着与隧道中心线间距离的增加而呈波动性衰减。

饱和地基上列车运行引起的地面振动隔振分析

利用推导出的频域内饱和土的以土骨架位移u和孔隙水压力p表示的u-p格式的2.5维有限元方程,分析列车低速和高速运行条件下不同隔振措施的隔振效果,包括空沟、填充沟(混凝土墙)和混凝土板(波阻板)。其中轨道被简化为饱和地基上的Euler梁,通过沿轨道方向的波数变换将三维空间问题降为平面应变问题,对求解的结果进行Fourier反变换,获得三维时域-空间域内的解。研究表明:弹性地基和饱和地基上设置空沟和填充沟隔振效果相差不大,而设置波阻板隔振效果存在较大差异。列车低速运行时,空沟基本无隔振效果,填充沟在一定范围内有隔振效果,波阻板隔振效果最好;列车高速运行时,空沟在较大沟宽和较深沟深条件下才能达到较好隔振效果,填充沟和波阻板只需较小尺寸就能达到理想的隔振效果。

沌阳高架桥爆破拆除塌落引起的地面振动特征

利用实测结果分析了桥梁爆破拆除塌落引起的地面振动加速度特征,结论如下:桥梁塌落地面振动加速度峰值随距离增大而降低,竖向分量加速度峰值显著大于水平分量,随距离增大差别变小;测线1的地面振动加速度峰值频率随距离增加呈指数降低趋势,受叠加效应影响,测线2和测线3的地面振动加速度峰值频率随距离的变化规律不明显;测线1的切向振动分量的峰值频率最高,测线2次之,测线3最低;地面振动加速度持时随距离增加而变长,水平分量持时大于竖向分量;减振措施在降低爆破塌落振动峰值的同时也会降低地面振动峰值频率、延长其持时;多个桥联连续塌落产生的叠加效应使得地面振动加速度峰值增加、峰值频率降低,不利于建筑结构安全。

北京地铁1号线地面振动响应测试与分析

采用高灵敏度加速度传感器,对北京东单—建国门区间的运营地铁进行了现场测试,为研究相似区段特殊的减振措施提供依据.测试结果的分析主要是针对振动敏感仪器的,在频域内采用1/3倍频程频谱,重点考虑低频段的地面响应.通过对测试结果的分析,得出了环境背景振动、公交车等地面车辆和地铁的地面振动响应规律.

地铁列车引起的地面振动

为了研究地铁列车引起的地面振动,将轨道、隧道结构和列车荷载简化后建立三维有限元动力分析模型.列车按8节车辆编组,以80 km/h的速度运行.计算了列车引起的地面振动,以分析隧道地基弹性模量和隧道埋深对地面振动响应的影响.结果表明:列车通过时,地面的竖向振动普遍比横向振动大;在靠近线路中心的区域,竖向振动随到线路距离的增加很快衰减;地面的横向振动有时比竖向的大,计算时不应忽略;地面振动强度和传播范围随地基弹性模量和埋深增加而减小.

运行列车引起地面振动的理论模型及振动特性分析

根据车辆动力学、轨道动力学及地基土振动Green函数,建立了列车-轨道-地基土相互作用理论分析模型。该模型不仅考虑了车辆自身的振动,而且考虑了由轴重荷载组成的准静态激励力和单一波长轨道不平顺引起的轮轨间动态激励力。列车模型、轨道模型和地基土模型之间分别通过轮对-钢轨之间的Hertz接触和轨枕-地基土的动力平衡关系进行耦合。根据该模型通过一算例对地面的振动特性进行了分析,并通过移动的单位常力荷载和单位简谐荷载作用下的地面振动分析了车速和地基土特性的影响。计算结果表明,运行列车引起的地面振动特性与荷载移动速度和地基土特性紧密相关,列车移动速度线和地基土频散曲线的相交频率是引起地面振动放大的一种共振频率;运行列车存在临界速度,且临界速度接近地基土模型中的最小表面波波速;轮轨接触表面不平顺引起的动激励力振源对地面振动的高频成分产生较大的影响。

地铁诱发地面振动传播衰减特性分析

对上海地铁线路某区间段的地面振动进行测试,得到上下行多组地铁列车运行时地表不同测点处的振动加速度。统计所测加速度时程记录的峰值和有效值,并对信号进行谱分析。采用不同频率计权曲线对实测地表加速度进行振级计算,并分析新旧曲线对振级计算结果带来的影响。建立二维有限元平面应变模型,模拟地铁运行引起的土层场地地面振动,并与实测地面振动进行对比。实测数据的统计结果表明,地铁诱发地面振动的主要频率范围为40～90Hz之间,地铁列车引起的地面振动在衰减过程中存在放大区,为距地铁中心线15m处前后。振级计算结果表明,与W计权曲线相比,WK计权曲线加重了10～80Hz范围内高频振动对人体的影响,WK计权振级比W计权振级大3.2dB。数值模拟的振动衰减规律和实测一致。

饱和分层地基上列车运行引起的地面振动分析

基于薄层法原理,将圆柱坐标系下饱和土的Biot轴对称波动方程在竖向进行离散,沿切向坐标及轴向分别进行Fourier级数分解和Hankel变换,得到饱和层状介质中频域-波数域中的位移基本解表达式,再利用Hankel逆变换和Fourier综合,求得频域柱坐标系下的位移表达式.结合运行列车-轨道-地基的振动模型,对饱和分层地基上列车运行引起的地面振动进行分析.详细讨论了渗透系数、孔隙率、流体黏滞系数和剪切波速等饱和土层参数对振动传播与衰减的影响规律.研究表明:地基的第1层土体参数对列车运行引起的地面振动的影响比第2层土体参数的影响显著,饱和土体的渗透系数、孔隙流体动力黏滞系数、孔隙率和剪切波速是影响地面振动的主要参数.

关于动力机器基础激发的地面振动衰减公式的讨论

在理论分析和振动实测的基础上 ,对动力机器水平扰力作用下地面振动衰减进行了分析、计算 ,提出了与实测数据吻合较好的水平扰力作用下估算地面振动的衰减公式 。

高架桥段与路堤段CRH动车组运行引起的地面振动对比测试

现场测试沪宁城际中国高速铁路(CRH)动车组运行引起的高架桥段和路堤段的地面振动竖向速度,分析2种线路的地面振动特征及其传播的衰减规律。结果表明:CRH动车组运行引起的地面振动主频在80 Hz以下,属于低频振动;车厢数量对列车运行引起的地面振动强度影响小;对153～201 km/h列车的运行速度,车速的大小对地面振动幅值的影响不明显;随着测点离轨道距离的增加,高架桥段的地面振动主频降低、峰值地面速度衰减曲线较为平稳光滑,路堤段的地面振动主频几乎不变、峰值地面速度衰减曲线存在多个振动反弹区;高架桥段的地面振动强度高于路堤段的地面振动强度;路堤旁修建的排水沟对地面振动具有隔振作用。