基于模态叠加法和直接刚度法的列车-轨道-桥梁耦合系统高效动力分析混合算法

为提高列车-轨道-桥梁耦合系统(Train-Track-BridgeCoupledSystem,TTBS)动力分析的计算效率,该文基于作者之前提出的TTBS动力分析混合模型,结合模态叠加法和直接刚度法,提出了一种改进的混合方法(Improved Hybrid Method,IHM)。该方法中,列车动力方程通过多刚体动力学方法建立;轨道结构动力方程通过直接刚度法建立以准确求解其高频局部振动响应,桥梁结构动力方程通过模态叠加法建立以降低其自由度数目。列车和轨道结构通过轮轨线性Hertzian接触关系耦合为列车-轨道耦合时变子系统,轨道与桥梁间通过轨-桥相互作用力的平衡迭代实现耦合。首先以朔黄重载铁路32 m简支梁桥现场试验数据验证了该文方法的正确性。然后,以CRH2型高速动车组通过万宁系杆拱桥为例,探究了桥梁振型数量对动力响应指标计算精度的影响规律,最后,对比三种不同的列车-轨道-桥梁耦合系统动力分析方法的计算结果及耗时,结果表明:同样的计算精度下,该文方法具有更高的计算效率。

基于直接概率积分法的列车-轨道-桥梁系统随机分析

由于施工和制造误差使得铁路工程结构参数不可避免地具有不确定性,同时作为系统主要自激励的轨道不平顺亦具有明显的随机性和时变性,因此,探明不确定因子对列车和轨道-桥梁结构动态性能的影响非常重要。为了高效地完成列车-轨道-桥梁系统随机性能分析,建立列车-轨道-桥梁空间振动分析模型,采用轨道不平顺概率模型和谱表达-随机函数的方式在有限随机变量空间中实现轨道不平顺随机过程的高效模拟。引入概率密度积分方程和直接概率积分法发展了列车-轨道-桥梁系统随机动力方程和相应的计算求解策略。基于MATLAB实现了列车-轨道-桥梁随机振动的直接概率积分法分析程序,计算了全概率不平顺激励和参数随机条件下车-轨-桥系统振动响应的均值、标准差和时变的概率密度信息。研究结果表明:与概率密度演化分析方法相比,直接概率积分法可较好地反映行车过程中系统响应的概率密度特征,然而其在系统响应随机后处理时更为高效,其效率可提高1~2个数量级。此外,考虑轨道不平顺全概率激励更能准确地反映行车过程系统响应的概率特征,平均概率谱可能使得计算结果偏于保守;行车速度对于列车和桥梁动态行为的影响是显著的,随着行车速度的增加系统响应的范围逐渐变大。研究结果进一步拓展了列车-轨道-桥梁随机系统的分析方法,可以高效地用于系统状态评估和设计优化。

地震作用对中速磁浮列车-轨道-桥梁系统耦合振动的影响研究

随着磁浮交通线路的不断扩展,地震作用对磁浮交通系统的安全性构成了严重威胁。为探究地震作用对中速磁浮列车-轨道-桥梁系统振动响应特性的影响,基于考虑比例-积分-微分(PID)主动悬浮控制的磁浮车轨耦合关系,在绝对坐标系下建立磁浮列车-轨道-桥梁系统地震响应数值计算模型,其中将车辆简化为具有45个自由度的多刚体,轨道-桥梁结构采用有限元法建立。在此基础上,编制相应的仿真程序,计算只考虑车辆作用、只考虑地震作用以及同时考虑车辆和地震作用3种工况下系统的动力响应,并分析车速对系统地震响应的影响规律。研究结果表明:地震作用对磁浮列车-轨道-桥梁系统耦合振动影响明显,尤其是对横向耦合振动的影响;轨道-桥梁结构跨中竖向位移受车辆作用影响较大,跨中横向位移主要受地震作用影响;轨道-桥梁结构的频域响应与车辆荷载的特征频率及结构固有频率密切相关,地震作用会显著放大轨道-桥梁结构的1阶固有频率振动响应;同时考虑车辆作用和地震作用时,随着车速提高,车体加速度幅值与桥梁跨中竖向位移幅值并非单调变化,而桥梁跨中横向位移幅值呈现下降趋势。研究成果可为后续磁浮列车-轨道-桥梁耦合系统地震响应分析和轨道-桥梁结构设计提供理论支撑。

车辆-轨道非线性耦合系统显隐式求解算法的收敛性分析

针对车辆-轨道非线性耦合系统的动力学方程联立求解过程,将车辆和轨道分别考虑为2个子系统,通过2个子系统之间的位移协调和轮轨非线性接触力耦合,再结合显隐式积分格式,提出车辆-轨道非线性耦合系统的分离迭代和分离同步两种求解方法,通过算例验证了两种方法的正确性,并对两种求解方法的收敛性进行了对比分析。计算结果表明:显隐式分离迭代法和显隐式分离同步法的最大有效时间步长分别是0.5、0.1 ms;在时间步长较大时,采用Aitken加速法可以起到增强显隐式分离迭代法的计算稳定性的作用,但Aitken加速法的作用会随着时间步长的减小而变小;相同时间步长下显隐式分离同步法的计算效率要比显隐式分离迭代法高,但可以通过选用较大的时间步长来提高显隐式分离迭代法的计算效率。

基于贝叶斯自优化Bi-LSTM组合网络的高速铁路轨道-桥梁系统震后响应预测方法

中国高速铁路(HSR)规划建设逐渐向地震易发地区延伸,亟需一种及时、准确的灾后地震响应快速预测方法,以实现高速铁路系统运输生命线安全的快速评估。本文提出了一种基于贝叶斯自优化双向长短期记忆(Bi-LSTM)网络的快速预测方法,以经过实验验证的高速铁路轨道-桥梁系统有限元模型地震动响应计算数据为样本,将预测地震响应和有限元计算结果进行比较,验证所提方法的精度和鲁棒性,表明该方法在预测高速铁路桥梁结构的非线性地震反应方面是有效的,且高速铁路轨道-桥梁系统的不同预测位置对预测精度的影响不明显;此外,为了降低神经网络训练数据量需求,提出了一种基于离散小波分解的分层聚类算法,结果表明,基于小波分解的分层聚类方法在保证预测精度的同时,有效地减少了训练地震集的输入数量。

路基不均匀沉降下列车-有砟轨道-路基三维耦合系统动力响应分析

基于多体动力学与有限单元法建立列车-有砟轨道-路基三维耦合系统精细化数值模型,并提出一种新的迭代方法,将路基余弦型不均匀沉降作为位移边界条件,通过判断轨道结构与路基结构间的接触状态,研究路基不均匀沉降和列车荷载共同作用下的轨道结构伴随性变形,计算列车动力响应、轮轨接触力和轨枕与道砟间的接触力等,进而模拟分析不同波长和幅值的不均匀沉降对上述动力响应和轨枕空吊等病害的影响,揭示路基不均匀沉降与钢轨变形之间的映射关系。研究结果表明:轨道结构伴随性变形随路基沉降幅值的增大而增大,且在一定沉降范围内引发轨枕空吊等病害;耦合系统结构动力响应随路基沉降幅值的增大而增大;随沉降波长增大,轮重减载率和轮轨力减小,而车体竖向加速度呈现先增大后减小的变化趋势,并存在10 m左右的敏感波长使得车体竖向加速度最大;路基不均匀沉降可加剧轨枕和有砟道床间的相互作用,进而加剧沉降发展。

考虑冲刷效应的大跨桥梁地震-风-车-桥耦合振动分析

为研究冲刷效应对地震与风联合作用下大跨桥梁动力响应的影响,在已建立的地震-风-车-桥耦合振动分析模型基础上,利用p-y曲线(p为土阻力,y为变形)折减法考虑不同冲刷深度的桩土荷载-位移关系,根据桩土荷载-位移关系和冲刷深度更新桩基的侧向支撑刚度和长度,从而考虑了冲刷效应对大跨桥梁动力响应的影响,并将模型应用到江顺大桥冲刷效应的分析研究中.研究结果表明:基础冲刷减弱了地基土对结构的侧向约束,从而降低结构的自振频率,侧向振型的自振频率最大降低6.01%;在运营车辆和风荷载作用下,基础冲刷对结构的振动响应影响很小;在地震发生后,基础冲刷会增大结构的横向振动,结构的横向位移响应极值最大增大9.1%,横向位移响应谱也相应增大,而对结构的竖向振动影响很小;基础冲刷可能减小车辆横向加速度的响应,车辆的横向加速度响应极值最大降低7.7%,对车辆的竖向振动影响很小.

跨座式单轨列车-桥梁系统随机振动分析

由于跨座式单轨轨面不平顺激励具有随机特性,所以跨座式单轨列车-桥梁系统动力响应的随机性值得探讨。通过建立跨座式单轨列车-桥梁系统随机振动分析模型,分析在大量不平顺样本组作用下跨座式单轨列车-桥梁系统动力响应的离散性。研究基于虚拟激励法的跨座式单轨列车-桥梁系统的随机振动分析方法的计算精度和效率,对比分析跨座式单轨列车-桥梁系统基于虚拟激励法的随机分析方法和基于单样本组的确定性分析方法所得的动力响应随车速的变化规律。研究结果表明:跨座式单轨列车-桥梁系统的大多数响应具有很大的离散性,开展跨座式单轨列车-桥梁系统随机振动分析是必要的;验证了基于虚拟激励法的跨座式单轨列车-桥梁系统随机分析方法具有很高的精度,在同等精度条件下,虚拟激励法的计算效率明显高于Monte Carlo法;论证了仅作单个确定性样本的速度影响分析并不能确切反映跨座式单轨列车-桥梁系统响应随车速变化规律,进一步论证了开展跨座式单轨列车-桥梁系统随机振动分析的必要性;从概率统计的角度分析了跨座式单轨车辆及轨道梁的位移与加速度响应随车速的总体变化规律。研究成果可为跨座式单轨列车-桥梁系统随机振动进一步的研究提供依据和参考。

列车-轨道-地基土耦合系统三维随机振动的多GPU并行计算方法

针对列车-轨道-地基土耦合系统随机计算效率低的问题,本文提出了基于多GPU的列车-轨道-地基土随机振动方程的高效并行计算方法。基于OpenMP-CUDA混编技术将虚拟激励法不同频点下的多个线性方程组求解任务分配给多个GPU并行执行;在每块GPU上,采用基于CUDA的预处理共轭梯度法(PCG)并行求解对称正定的等效静力平衡方程。针对耦合系统等效刚度矩阵的稀疏特性,采用行压缩(CSR)格式存储大型稀疏矩阵以节省内存空间。最终通过MATLAB-CUDA混合平台开发并行计算程序,解决了随机振动分析中多个线性方程组串行求解效率低的难题。数值算例表明,基于四GPU节点的多GPU并行算法和单GPU加速PCG算法的计算效率是串行多点同步算法(MPSA)计算效率的22.59倍和3.75倍。

多线地铁列车-高架桥耦合系统动力分析

为了对多线地铁高架桥的车桥耦合作用进行分析,基于ANSYS的参数设计语言(parametric design language,简称APDL)建立了能够考虑列车单双线行驶的地铁列车-桥耦合动力分析模型。以一座三跨四线地铁高架连续梁桥为研究对象,采用四动二拖6辆编组B型地铁列车模型,分析了地铁列车分别沿不同单双线运行时桥梁结构的动力响应。结果表明:地铁列车对桥梁的横向位移和加速度影响较小;双线对向运行时桥梁竖向位移和加速度响应峰值大于沿单线运行的情况;双线对向运行时桥梁关键截面内力响应峰值约为沿单线运行时内力代数叠加的67%~99%。所提出的数值模型和计算结果可以为多线地铁高架桥车桥耦合振动研究提供理论方法和评估依据。

冻胀变形下高速铁路车辆-轨道-路基耦合系统的动力效应

季冻区严酷的自然环境对高速铁路的高标准运行产生了极大影响,甚至会对高速铁路造成永久性破坏。为探究季冻区高速铁路路基冻胀变形作用下对车辆-轨道-路基耦合系统动力效应的影响,以银西高速铁路某冻胀区段为背景,结合车辆-轨道-路基系统动力学的原理和分析方法,建立了简化后的动力学模型;选取了典型的单波余弦冻胀波形(冻胀波长λ=10 m,冻胀峰值f=10 mm),分别探讨了轨道系统与车辆系统的动力学效应,并据此确定了轨道刚度的合理取值。研究结果表明:在路基冻胀变形作用下,轨道系统中轨道各部件动压力、动位移及动加速度幅值在低频段(0~200 Hz)发生明显波动,扣件刚度与道床刚度的最优刚度比为0.5,轨道总刚度的合理取值在62~87 kN/mm范围为宜;车辆系统中车辆轮重减载率及车体垂向加速度与冻胀波长λ成反比关系,与冻胀峰值f成正比关系。

基于Seed-PCG法的列车-轨道-地基土三维随机振动GPU并行计算方法

为了解决列车-轨道-地基土三维有限元模型随机多样本计算效率低的问题,本文提出了一种基于Seed-PCG法的高效并行计算方法。基于有限元法和虚拟激励法建立轨道不平顺激励下的三维列车-轨道-地基土耦合随机振动分析模型;针对车致地基土随机振动分析产生的多右端项线性方程组求解问题,采用Seed-PCG方法进行求解。通过PCG方法求解种子系统得到的Krylov子空间进行投影,以改进其余线性方程组的初始解和对应的初始残量,有效提高了PCG法的收敛速度,最后,在MATLABCUDA混合平台上开发了并行计算程序。数值算例表明:相同计算平台下的该方法相比多点同步算法获得了104.2倍的加速;相比PCG法逐个求解方案减少了18%的迭代次数,获得了1.21倍的加速。

基于车-车通信的列车运行控制系统后备系统

[目的]目前,以TACS(列车自主运行系统)为代表的基于车-车通信列车运行控制系统后备系统尚不完善,需对其后备系统进行进一步地深入探讨和研究。[方法]分析了新的运营需求,结合新技术的发展,对一种基于环境识别的TACS后备系统进行探讨。详细介绍了TACS后备系统的架构及功能,分析了TACS后备系统建设的技术难点,阐述了TACS后备系统的列车运行空间监测场景及降级运行场景应用情况。[结果及结论]在发生故障后列车降级运行的情况下,TACS后备系统能提高运营TACS系统效率,并能增强运营安全性。

复杂风环境下风-列车-轨道-桥梁系统气动特性及耦合机理研究

正1风-列车-轨道-桥梁系统的特点风-列车-轨道-桥梁系统是一个复杂的耦合系统,是由多刚体(机车车辆)、连续弹性体(钢轨)、离散体(枕木)、非规则碎散堆积体(道砟)、弹性体(桥梁)和土结构(基础)组成的混合结构系统,而且它要与流体(空气)相互作用,具有多体、多态的特征。该系统是在双重随机激励(轨道不平顺、脉动风)作用下的时变耦合振动系统。该系统涉及面广。

基于列车-桥梁耦合振动模型的高温超导磁浮车辆悬挂参数优化

为提高高温超导磁浮车辆在高速运行下的品质,建立了高温超导磁浮列车-桥梁耦合振动模型,分析了桥梁刚度和车辆悬挂参数匹配对车辆系统动力学性能的影响。并通过叠加轨道不平顺谱实现桥梁预拱,分析车辆系统的动力学响应。结果表明:高温超导磁浮车辆在高速运行下,其平稳性对减振器阻尼和桥梁挠跨比的取值较敏感;桥梁挠跨比取1/7752、桥梁挠度取4.1 mm、桥梁预拱量取4 mm时能抵消车辆高速运行过程中桥梁下挠带来的线路不平顺,使车辆动力学性能达到最优。

列车-桥梁耦合系统非线性随机振动分析

在轨道不平顺激励下,列车过桥时发生车-桥耦合振动。由于轨道不平顺激励源是随机过程,而轮轨接触关系又是非线性的,因此,车-桥耦合振动属于非线性随机振动问题。用统计线性化方法分析车-桥非线性随机振动。轮轨接触几何关系用5个非线性函数描述,推导车-桥系统非线性振动方程。对车-桥非线性振动方程中的非线性函数进行统计线性化,得到时变的线性车-桥耦合振动方程。用虚拟激励法求解线性车-桥系统的随机响应,提出一种"显式"统计线性化方法,该法在每个时间步均无需作统计线性化迭代。最后,用Monte Carlo法验证了车-桥统计线性化随机振动分析方法具有较高的精度。算例表明,轮轨非线性接触对车辆和桥梁的随机响应影响很大,车-桥随机振动分析应合理考虑轮轨非线性接触。

非一致地震激励下列车-轨道-桥梁耦合振动模型

为探讨行波效应对地震作用下高速铁路桥上列车行车安全性的影响,基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,采用35个自由度的机车车辆模型、板式无砟轨道模型和桥梁有限元模型,通过引入地震多点激励模式,建立了非一致地震激励下的列车-轨道-桥梁耦合振动模型,并编制了相应的仿真分析程序.以跨度32 m的简支梁桥为例,输入El Centro地震波,计算了一致激励和行波激励下车桥系统的动力响应.结果表明:行波效应对耦合系统动力响应幅值的影响很大.当车速为350 km/h、行波速度为300 m/s时的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力比一致激励分别降低84.1%、19.5%和87.8%.因此,忽略行波效应可能造成对地震时桥上列车行车安全的误判.

考虑轮轨非线性接触的车辆-轨道-桥梁垂向耦合系统随机振动分析

基于列车-轨道-桥梁耦合动力学理论,考虑轮轨接触非线性,采用广义概率密度演化理论建立了列车-轨道-桥梁垂向耦合系统非线性随机振动方程。采用数论选点法结合谱表示-随机函数法生成轨道随机不平顺样本,实现了用两个随机变量和少量样本较精确地反映轨道不平顺功率谱的随机特性。以高速列车-简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道为例,从概率及可靠度角度,考虑非线性轮轨关系中跳轨现象以及轨道随机平顺影响,对比分析了线性与非线性轮轨对车辆运行安全性的影响;计算了不同轨道谱、车辆运行速度下轮重减载率概率密度演化规律及其对车辆运行安全性影响。结果表明,建议的方法可通过较少的随机变量和样本计算得到车辆-轨道-桥梁耦合系统非线性随机动力响应及其概率分布,可为车辆运行安全性评价提供更好的指导。

无砟轨道约束对高速铁路列车-桥梁系统地震响应的影响

建立了38自由度高速列车(动车/拖车)空间振动模型,基于非线性Hertz接触理论和Kalker线性蠕滑理论,引进PEER-NGA强震记录,建立地震作用下的高速铁路列车-无砟轨道/钢轨-桥梁-支座-桥墩-桩土系统精细计算模型,考虑支座刚度和桩土作用及近场地震效应的影响,以高速铁路32m跨简支箱梁桥和CRTSⅡ板式无砟轨道为研究对象,编制了MATLAB程序,计算了有/无砟轨道约束下高速列车-桥梁时系统的地震响应。计算结果表明,不考虑三层无砟轨道时列车-桥梁系统模型由于桥梁刚度过大,列车-无砟轨道-桥梁系统的各项地震响应较列车-钢轨-桥梁系统有较大增加;对于有/无地震作用时,采用无砟轨道均可有效改进列车走行性能,近断层地震脉冲效应对有/无砟轨道约束系统动力响应及列车走行安全指标影响均较大。

层状饱和地基-轨道-列车耦合系统轨道不平顺引起的振动分析

采用半解析方法研究了层状饱和地基-轨道-列车耦合系统的动力响应问题。层状饱和地基由任意水平饱和土层和下卧饱和半空间组成,轨道采用以无限长欧拉梁模拟的钢轨、连续质量块模拟的轨枕和Cosserat模型模拟的道砟组成的三层系统,列车模拟为弹簧和阻尼元件连接的多刚体系统。振动输入由钢轨的竖向不平顺提供。通过地基表面轨道中心处竖向位移与道砟位移相等实现层状饱和地基和轨道的耦合,通过在车轮与钢轨间引入Hertizian接触弹簧来实现轨道与列车的耦合,首先求得频率-波数域内解答,然后通过Fourier逆变换求得时间-空间域内振动响应。文中验证了方法的正确性,并进行了数值计算分析,研究表明钢轨不平顺引起的列车动荷载振动频率较低时,随着列车运行速度的增大地基表面位移幅值逐渐增大;振动频率较高时,列车运行速度对位移幅值峰值的影响不明显,但列车驶过后地基的振动明显增大,振动时间变长。