考虑风速纵、横分量的列车气动载荷变化特性

为探索侧向环境风作用下列车气动载荷变化特性,对任意风向角下随车移动点处的风速纵、横分量进行建模,研究考虑风速纵、横分量的列车气动载荷计算方法,并分析在列车速度200~400 km/h、平均风速10~35 m/s及风向角30°~150°时的列车气动载荷特性.研究发现:在不同风向角下,考虑风速横向分量后,高速列车气动载荷波动变大,作用于列车上的瞬时气动载荷极值增大;风速横向分量主要影响列车气动载荷的标准差,且影响程度与风向角有关;随着风向角接近临界风向角,风速横向分量对列车气动载荷标准差的影响逐渐变小,随着风向角远离临界风向角,风速横向分量对列车气动载荷标准差的影响逐渐变大;列车气动载荷的标准差/均值主要与侧偏角有关,且在风向角为30°及150°时较大,其次是风向角60°和120°,而在风向角90°时则较小.

随机侧风下高速列车在桥塔环境中气动载荷的时域与频域特性研究

在列车高速行驶过程中,强侧风的作用使得高速列车气动载荷急剧变化,可能会引起列车倾覆。文章对比分析了在恒定侧风和随机侧风的作用下,某型高速列车通过桥塔环境时头车所受到的气动载荷的时域特性,通过对其气动载荷进行快速傅里叶变换,得到了频谱分布特性。结果表明:在恒定侧风作用下,高速列车的气动载荷变化平缓,波动较随机侧风明显平缓;而在随机侧风的作用下,随着基频风速增大,气动载荷的极值大小基本不变,但极值点数目增加,这表明随机侧风模型和基频风速增加,对列车气动载荷变化影响显著。气动载荷功率谱密度集中出现在0~5 Hz范围内,最大值对应频率集中在0~1 Hz范围内,表明由侧风导致的列车所受非定常气动载荷的频率较低,这与列车本身的一些固有振动模态频率非常接近,易形成共振;与恒定侧风相比,随机侧风下气动载荷功率谱密度峰值更大,且随着基频风速增大而增大。

气动载荷下高速列车设备舱裙板非稳态振动疲劳强度研究

高速列车设备舱裙板对改善列车空气动力学性能起到重要作用,裙板除受到振动载荷外,还承受气动载荷。随着运行速度的不断提高,裙板承受的气动载荷愈发强烈,为保证高速列车的正常运行,对裙板的疲劳评估尤为重要。该文针对裙板在气动载荷作用下的非稳态振动特性,以实测气动载荷作为输入利用有限元仿真获取脉冲响应函数,采用时域卷积积分方法计算加速度测点位置加速度,对比试验数据进行模型验证,对比结果显示总体误差小于10%。再采用该方法计算关注单元动应力,通过振动疲劳强度分析方法进行评估,评估结果显示裙板疲劳强度可以满足速度为400 km/h列车的需求。

预报风强度对火箭最大气动载荷精度影响及建模分析

针对不同预报风强度的精度以及其对应的最大气动载荷预报值精度的研究文献极少。以某地区实况风为基准,分别对不同预报风强度的精度以及其对应的最大气动载荷预报值精度特征进行了分析,并利用多元线性回归方法建立了订正模型,结果表明在预报日数第1~11天,预报风强度越大,预报风精度及其对应的最大气动载荷预报值精度越高;利用多元线性回归方法可提高最大气动载荷预报值精度,且预报风强度越小,最大气动载荷预报精度提高越明显。这些发现在火箭发射前的飞行保障及安全决策方面具有参考价值。

250 km/h动车组气动载荷及动态气密特征的实车试验

为了对长期运行的现役列车车体疲劳及静强度提供载荷边界输入条件,并加强对车体气动载荷特性和车内压力舒适性的长期运用评估,采用实车试验的方法得到CRH5A型动车组线路气动载荷和频率特征及不同隧道运行工况下车内外压力波动和车内压力舒适性特征,结合实测数据和所提出的动态气密指数分析方法,计算整车动态气密指数。研究结果表明:在京沈客专沈阳—朝阳试验段,车体绝对气动压差变化范围为−2.53~0.71 kPa;车体外两侧压力无明显主频;间隔1 s和3 s的车内压力变化量最大值分别为294 Pa和383 Pa,尾车的车内压力波动最剧烈。列车通过黑山隧道、下窝堡隧道、扣莫明洞隧道、三棱山隧道4个典型长度隧道的整车动态气密性指数计算结果分别为10.46、12.13、11.06和14.40 s,对于同一列车而言,列车的动态气密指数未因所通过隧道长度的不同而有较明显的离散特征。

时速400 km高速铁路隧道衬砌表面气动载荷特征和分布规律研究

为研究隧道单列车通过和2列车等速中央交会时隧道内中央处和洞口内压力波动机制和特征,隧道内各测点气动载荷最大正负压值和最大压力峰峰值沿隧道长度方向的分布规律,隧道长度对隧道气动载荷最值的影响,列车速度对气动载荷最值大小、位置和幅值频次的影响,以及基于隧道内最大压力峰峰值的最不利隧道长度的分布特征,采用一维非定常可压缩不等熵流动模型广义黎曼变量特征线法数值模拟方法和雨流计数法进行研究。结果表明:1)单列车通过和2列车等速交会的隧道相同位置测点压力在一定时间内保持相同;列车驶出隧道后,压力波形周期重复,与压缩波/膨胀波在隧道内传播的周期相同。2)在3种速度和0.5~10 km隧道长度范围内,单列车通过时,隧道内最大正压值在距离隧道入口200~600 m的位置;速度增加,部分长度隧道的最大负压值和最大压力峰峰值位置由隧道中央近进口端内一侧变为隧道中央近出口端内一侧。3)当时速为400 km时,单列车通过基于不同隧道压力最值的最不利长度相同,为1.3 km;2列车等速中央交会依次是1.4、0.94、1.2 km。4)隧道单列车通过和2列车等速中央交会的最高幅值等级分别可达到4800~5200 Pa和10000~10400 Pa。

气动载荷下航空发动机的传感器测点选择方法

提出一种气动载荷下航空发动机的传感器测点选择方法。基于航空发动机相似设计的单转子试验器有限元模型,建立气动载荷表征模型。提出响应计算方法,根据整机机匣表面响应来计算关于气动载荷的灵敏度。基于灵敏度分析结果,采用有效独立法,分析机匣表面测点的独立性。结合灵敏度与独立性,选择传感器布置最佳测点,并与对照组进行了响应对比。研究结果表明:最佳测点的响应比对照组至少高8倍,验证了该方法的有效性。

基于LSCM与多项式拟合的机翼气动载荷施加方法

目的 将由机翼计算的离散气动载荷高精度等效作用于结构有限元节点上。方法 先通过最小二乘保角映射(Least Square Conformal Maps,LSCM)将机翼翼面的气动模型网格和有限元模型网格映射到同一个二维参数平面上,在此平面上用二维切比雪夫多项式拟合气动载荷的分布,然后代入结构有限元映射节点坐标,即可实现结构有限元离散载荷的施加。结果 采用本文方法,即可实现控制合力、压心坐标误差条件下的气动载荷在结构有限元网格上的整体离散施加。结论 采用LSCM方法可以实现大曲率壳向二维平面的保角映射。基于切比雪夫多项式建模与参数识别可以高精度拟合复杂的翼面气动载荷,二者的结合运用使得结构有限元载荷的施加可以兼具效率与精度。

气动载荷对高速列车车体强度的影响研究

随着列车运行速度的提高,气动载荷对车体强度的影响越来越显著。文章以某动车组车体为研究对象,首先基于有限元分析软件建立了车体有限元模型,然后参照其模拟仿真的明线会车压力波数据,采用时间积分的方法将车体测点瞬态压强转化为整个侧墙表面的气动载荷,依次加载多工况载荷来模拟整个会车过程,最后在车体上选择“关注点”,对比气动载荷加载前后“关注点”当量应力,分析计算气动载荷对车体强度的影响。试验结果表明,气动载荷对车体门角、窗角及车顶设备安装处强度影响较大,最大强度贡献率达到了37.3%,出现在第三车窗窗角处。在车体强度评估过程中考虑气动载荷是相当有必要的,通过时间积分可将瞬态压力波转化为多工况来模拟会车过程中的气动载荷作用。

高速磁浮列车通过隧道气动载荷耦合研究

为研究时速600公里单列磁浮列车通过净空面积为100 m2的双线隧道时作用在车体表面和隧道壁面上的气动载荷,基于STAR CCM+流体仿真软件,采用三维非定常可压缩流动N-S方程和IDDES湍流模型,结合重叠网格技术模拟实际列车通过隧道的过程。分别在隧道内运行的列车头尾车流线型区域、第一位风挡、第四位风挡、第四位风挡及第四节车厢中部区域分别做截面,通过绘制截面上列车表面和隧道壁面的压力分布极坐标图与压力云图对比,研究列车在隧道内稳定运行时列车表面和隧道周向气动载荷的相互影响规律,为以后磁浮线路隧道衬砌的设计提供参考。研究结果表明:列车在隧道内稳定运行时,车头流线型区域周向压力分布较为均匀。同一截面隧道壁面上的压力受到列车鼻尖流线型区域的影响,靠近列车侧压力较小,最大为4000 Pa。远离列车侧压力较大,最大为6000 Pa,呈现出一定的三维特性;风挡两侧和顶部压力相差不大,上部和下部间隙由于涡旋的产生形成低压区,同一截面隧道壁面上的压力沿隧道周向压力分布均匀,最大为2000 Pa;中间车表面较为光滑,复杂流动较少,车身周向压力与同一截面的隧道壁面压力大小接近,最大为800 Pa;尾车流线型区域受到车尾膨胀波的影响,压力为负值,且尾车鼻尖底部压力接近于0,同一截面上隧道壁面在靠近列车一侧负压值更大,最大负压值为−4000 Pa。

矿用FBD局部通风机二级叶轮气动载荷研究

以FBD NO5.6/2×11 k W局部通风机为例,介绍一种矿用FBD局部通风机二级叶轮气动载荷分析方法。该方法主要利用相关参数分别构建一级叶轮及二级叶轮有限元模型,然后以此为基础,根据FBD通风机运行情况设置相应条件,进而对一级叶轮、二级叶轮速度进行模拟分析。通过模拟分析,可准确了解两叶轮入口处的气体流动规律与出口速度分布情况,以此为通风机叶轮结构的优化提供支持。

不同强度湍流风对风力机气动载荷的影响

湍流强度是影响风力机载荷的重要因素之一。基于OpenFAST软件对NREL-5MW风力机进行了不同强度湍流风为入流条件下的数值计算,利用Turbsim软件生成的5%、10%、15%和20%这4种湍流强度的湍流风作为入流条件,探究了不同湍流强度对风力机叶根处的剪切力和弯矩的影响,并分析了不同湍流强度下风力机叶片整体的载荷分布情况。结果表明:随着湍流强度的增加,风力机的气动载荷和气动功率波动幅值相应出现规律性的增加,但大体变化趋势不变。10%、15%和20%湍流强度下的气动功率标准差比5%湍流强度下的分别高出87%、163%和243%,摆振弯矩标准差比5%湍流强度下的分别高出30%、64%和95%;叶片上的弯矩载荷从叶根向叶尖方向逐渐减小,且随着湍流强度的增加,叶片上的弯矩标准差值也随之增加,在叶根处差别最大,从叶根向叶尖方向逐渐减小,到叶尖处完全重合。且10%、15%和20%湍流强度下的叶根处第一个节点位置的挥舞弯矩比5%湍流强度下的摆振弯矩分别高出44.94%、93.1%和137%。湍流强度的增加对叶片的摆振弯矩影响最大。

突变风与列车风耦合气动载荷下风屏障的强度分析

自然风与列车风的耦合气动作用是铁路风屏障产生弯曲、扭转等变形的主要原因。建立了列车-风屏障耦合的三维气动仿真模型,对风屏障在突变风与列车风耦合作用下压力分布规律进行了分析。建立了风屏障固体结构分析模型,对风屏障进行了模态分析,采用流固耦合的方法分析了风屏障在不同工况下的应力及变形量,据此对风屏障进行了强度校核。结果表明:风屏障自振频率最小为6.11 Hz,风屏障自振频率与列车风的振动频率相差较多,不会产生共振现象。在突变风与列车风耦合下,突变风的作用效果对风屏障的位移以及应力变化起决定性作用。在1.59 s时,风屏障在突变风与列车风耦合作用下产生最大位移,其中最大负位移达到1.42 mm,最大正位移达到0.605 mm。H形钢立柱产生最大的Mises应力,达到83.79 MPa,比列车风单独作用时增加了152.8%。可见突变风与列车风耦合会加剧风屏障的动力响应。

时速600公里磁浮隧道气动载荷特征初探

高速磁浮列车通过隧道时产生剧烈的压力波,形成了交变的气动载荷,给隧道衬砌和洞内辅助设备带来气动疲劳寿命问题以及设备可靠性问题。本文采用一维流动模型模拟隧道压力波方法,研究隧道内的气动载荷特征,明确了隧道内压力波的形成机理和气动载荷衰减特性,提出了基于隧道内压力最值(最大正负压值和最大压力峰峰值)的最不利隧道长度,得到了阻塞比和速度对压力波的影响特性。本文研究结论可为隧道内设备及设施的气动荷载设计提供参考。

武广客运专线高速列车气动载荷谱研究及应用

为解决既有标准中气动载荷不适用于我国高速列车运营条件的问题,依据相关标准和空气动力学仿真分析方法,研究我国典型客运专线的高速动车组气动疲劳载荷谱。首先,建立某高速列车的空气动力学分析模型;然后,结合BS EN 14067:2021标准和仿真分析结果,研究武广客运专线的明线交会、隧道通过、隧道交会情况下动车组车体承受的气动载荷特点;最后,依据武广线列车交会图、隧道长度和压力波分析的结果,统计出列车在不同隧道长度的压力变化范围及其频次,并通过对压力波数据的雨流计数分析,获得了时速300、350 km列车头车和尾车均幅值载荷谱。将该载荷谱应用于高速动车组车体焊缝的气动疲劳分析中,分析结果表明,速度提升对气动疲劳损伤影响较大,时速350 km运行时损伤是时速300 km运行时的6.7~10倍。

基于机器学习的机翼气动载荷重构及传感器优化布置

风洞实验通过在机翼表面布置传感器来测量相应位置的气动载荷,由于传感器布置数量有限,难以直接得到整个机翼全息气动载荷分布。本文采用机器学习方法通过有限传感器数据重构机翼表面全息气动载荷,并提出了利用仿真数据对传感器进行优化布置的方法。从计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)计算所得的机翼全息气动数据中选取有限位置数据模拟传感器实验数据,对比深度学习模型、高斯过程回归(Gaussian process regression,GPR)、支持向量回归(Support vector regression,SVR)与BP神经网络(Neural network,NN)对气动载荷的重构精度。通过评估由传感器数据重构的全息载荷精度对传感器布置方式进行优化设计。以M6机翼为例在给定的两个工况条件下验证本文所提出的方法。实验结果表明,GPR模型获得了最高气动载荷重构精度;给出了M6机翼在不同传感器总数下最优的截面数和单个截面布点数,最低传感器布置数下的最优布置方式,以及流场变化相对剧烈的前缘区域与展向截面的传感器布置方式。

下击暴流不同高度水平最大风速对风力机气动载荷的影响

以理论解析模型结合IECKAI谱构建下击暴流三维脉动风场,将其作为OpenFAST代码的来流输入条件,计算并分析风轮和塔架的气动载荷。结果表明:当下击暴流水平最大风速对应的高度变化导致风轮平面内全部为负的风剪切来流时,风轮的推力和转矩最小;当水平最大风速对应的高度从风轮扫掠面底部到顶部位置变化时,与最小值相比,风轮的横向力、纵向力、倾覆力矩和偏航力矩系数均方根的最大值分别增大29.01%、30.00%、38.79%和38.93%,在距离塔基19%的截面位置处,塔架前后方向气动阻力系数平均值的最大值增大5.6倍。

火箭最大气动载荷预报精度及建模订正分析

以qamax实况值为基准,分析了火箭最大气动载荷预报值精度随预报天数的变化特征。发现在预报天数1~11天内,最大气动载荷预报值精度随预报天数延长而降低,其绝对差从225.78 Pa·rad(第1天)增长到533.87 Pa·rad(第11天)、相对误差由10.97%(第1天)增大到24.54%(第11天);利用多元线性回归方法建立最大气动载荷预报值订正模型,可提高各预报天数的最大气动载荷预报值精度,平均绝对差由402.45 Pa·rad减小到309.82 Pa·rad,平均相对误差由17.71%减小到14.60%,这些发现对于火箭发射前的安全飞行保障具有参考价值。

火箭最大气动载荷异常变化分析与建模订正

通过分析某地区2014年12月~2019年12月、时间间隔3.5 h内的最大气动载荷偏差,发现最大正偏差达到1297.62 Pa·rad、最大负偏差达到-924.43 Pa·rad。主要原因是由于3.5 h内高空风出现异常增大、异常减小导致的。通过对该两个例的发射前3 h高空风进行建模订正,最大气动载荷绝对差值分别由1297.62 Pa·rad和924.43 Pa·rad减小到908.60 Pa·rad和286.56 Pa·rad,降幅分别为389.02 Pa·rad和637.87 Pa·rad,表明该建模订正方法有一定的改进作用,有利于提高火箭安全飞行的保障能力。

飞机机身气动载荷自动分载研究

为实现飞机机身气动载荷的自动分载,采用VB进行软件开发,输入为气动专业提供的机身总载和机身气动载荷分布形态参数,输出为静强度专业加载所用的机身各个框站位所分的集中载荷。软件操作方便,有效提升了机身气动载荷分载的效率和质量。