基于数据驱动加速的随机车流-桥梁耦合振动分析方法

面向随机车流的公路桥梁安全评估往往需要大量的车-桥耦合振动分析,然而,目前相关既有模拟方法运算效率有限,致使完成评估所需的分析耗时过久,无法及时提供评估结果。为此,该文以传统车-桥耦合振动分析理论为基础,提出了一种基于双向长短期记忆(Bi-directional Long Short-Term Memory,BiLSTM)算法加速的随机车流-桥梁耦合振动分析方法。该方法可以从初期桥梁响应时程快速映射出对应的后序响应,相较传统方法压缩了部分迭代求解周期,从而提高整体计算效率。随后,选取四座常见的桥梁作为分析对象,同时针对性地提出加权平均绝对百分比误差(WMAPE)、加权决定系数(WR^(2))等改进评价指标,并以传统迭代法为参照,分析了该方法的精度、鲁棒性以及计算效率。分析结果显示:该文提出的方法有较好的鲁棒性,在不同随机车流密度、不同路面粗糙度等工况下对桥梁的弯矩、剪力、挠度等响应都具有较高的分析精度;与传统方法相比,该方法可以在WMAPE小于3.2%、峰值绝对误差(PAE)小于2.9%以及WR^(2)大于0.98的情况下,将随机车流下车-桥耦合振动响应的计算效率平均提高37.98%。这表明该方法可以在保证精度的前提下,有效提升随机车流-桥梁耦合振动分析效率,具备应用于桥梁结构快速分析、评估的潜力。

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.

随机车流下的风-汽车-桥梁系统空间耦合振动研究

在交通荷载观测及统计分析的基础上,获得交通状况的代表性数据,对记录的车型、车重、车距和车速进行统计,在此基础上进行随机车流模拟,编制随机车流模拟程序RTF(Random Traffic Flow),程序中首次全面引入车型、车重、车距和车速4个参数;建立可以考虑任意车辆数目、不同车道以及车辆相向行驶功能的随机车流下的风-汽车-桥梁系统空间耦合振动分析框架,编制相应的分析模块RTFWVB(Wind-Vehicle-Bridge system analysis)。以杭州湾跨海大桥为工程实例,详细研究密集、稀疏运营状态,车流单向、相向行驶以及侧风与车辆移动荷载对桥梁关键部位动力响应的影响。分析表明:密集运营状态下桥梁动力响应明显大于一般运营状态下的相应值;车流方向对桥梁振动影响不大;密集运营状态下车辆移动荷载主要决定桥梁动力响应的均值,而侧风主要影响桥梁动力响应的脉动部分,风速越大波动越显著。

桥梁刚度变化对高速铁路独塔斜拉桥车⁃桥耦合振动的影响分析

以高速铁路独塔斜拉桥为研究对象,建立车-轨-桥耦合系统的空间多体动力学分析模型,开展高速铁路斜拉桥的车-轨-桥耦合振动的仿真分析。通过改变材料弹性模量的方式调整桥塔和主梁刚度,研究桥梁刚度变化对桥梁车-桥-耦合振动的影响规律。研究结果表明,随着桥塔刚度的增大,主梁跨中竖向和塔顶纵向位移响应逐渐减小,其峰值减幅分别为7.57%和10%;随着主梁刚度的减小,主梁跨中竖向位移和塔顶纵向位移峰值呈逐渐递增趋势,主梁刚度变化对车体竖向加速度和Sperling竖向舒适度指标影响相对较大;相比于桥塔刚度的变化,主梁刚度变化对车-桥振动响应的影响更大;整体上,列车运行的安全性和平稳性指标满足规范要求。

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。

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。

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。

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。

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。

一种随机车流与桥梁耦合振动的分析方法

为提高随机车流作用下桥梁结构动力行为仿真分析的计算效率,提出一种时变维度的随机车流与桥梁耦合振动分析方法.联合模态综合技术和整体分析法建立了车桥耦合振动方程.通过对随机车流过桥过程的动态判别,进行车桥运动方程维度的时变更新,并提出了过程分析数据的动态存贮与提取算法.详细阐述了所提分析方法的总体框架和具体实现步骤.工程实例分析结果表明,在满足相对误差小于3.5%条件下,所提出的分析方法计算用时仅为传统整体分析法的14.8%,与分离迭代方法基本相同.所提出的分析方法具有较高的计算效率和分析精度,可用于相关研究和工程实际中的随机车流与桥梁耦合振动仿真分析.

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。

车辆-桥梁耦合系统垂向振动的随机分析

研究车桥耦合系统在轨道高低不平顺激励下的垂向平稳随机振动。车辆采用二系悬挂6个自由度的4轴客车空间模型,桥梁采用空间梁单元模型,轨道不平顺假设为多点异相位平稳随机激励。采用虚拟激励法将轨道不平顺转化为一系列的简谐荷载形式。运用分离迭代法求解车桥耦合系统振动方程。分别采用虚拟激励法和Monte Carlo法对单跨33.3m简支梁进行随机振动分析,验证了方法的正确性。最后,以1列火车通过单跨33.3m简支梁为例,研究了车桥时变耦合系统的垂向随机动力特性。

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。

基于元胞自动机微观模拟的随机车流与桥梁耦合振动数值研究

将经典车桥耦合振动理论与最新提出的多轴单元胞自动机(MSCA)微观车流荷载模拟方法进行融合,形成了一种精细化的随机车流与桥梁耦合振动数值分析方法。介绍了该研究所采用的车桥耦合振动理论及模型;提出了MSCA实现车桥动力分析的思路和方法,并进行了程序开发;通过具有实测时程动态挠度的工程算例,验证MSCA实现车桥耦合动力分析的准确性;将MSCA用于随机车流激励下某斜拉桥的动力效应分析中,论证基于MSCA的随机车流与桥梁耦合振动分析程序的可靠性。研究结果表明:工程算例很好地证明了该文所提方法和模型在进行车桥耦合分析的准确性,最大误差仅为11.6%;斜拉桥在随机车流作用下的静力与动力时程挠度分析显示,两者具有很好的一致性,随着路面粗糙度等级提升两者差异更加显著,说明了该模型和方法在开展随机车流与桥梁耦合振动分析的可靠性。该研究进一步拓展了MSCA在随机车流激励下分析桥梁各类动态响应的能力,为该方法程序在实桥监测与评估的应用提供了基础。

随机车流作用下悬浮隧道车-隧耦合振动分析

悬浮隧道是面向未来交通设计的一种跨海结构物。为研究随机车流作用下水中悬浮隧道的车-隧耦合振动特性,基于不同车型、车间距和车速情况下的随机车流模型,分别采用蒙特卡洛法和有限单元法进行随机车流和悬浮隧道的理论建模。结合Morison方程和车辆位移协调关系,提出了车-隧耦合作用的分析单元,并对悬浮隧道车-隧耦合振动进行数值求解,通过统计分布的方法对计算结果进行讨论。计算结果表明:悬浮隧道在高流量的随机车流荷载作用下发生剧烈的车-隧耦合振动;悬浮隧道的L/4和L/2位置的加速度均方值a_(rms)服从正态分布的概率分布形式,且L/2位置受到更明显的随机车流荷载作用影响;降低断面锚索竖向刚度和增加锚索布置间距能够改善悬浮隧道的耦合振动竖向加速度幅值,但改善效果呈边际效应递减的趋势。

车-简支梁桥耦合振动系统中全局最大动力响应研究

本文采用四分之一车辆模型和等截面简支梁模型,建立了车-桥耦合振动计算模型,分析了车辆匀速驶过桥梁时,桥梁动挠度、动弯矩、动剪力的全局最大值及发生的位置.进一步分析计算了车速、车距和桥梁模态截断阶数对桥梁动挠度、动弯矩、动剪力全局最大值的影响.结果表明,车速对桥梁动挠度、动弯矩、动剪力全局最大值影响较大,全局最大动挠度和全局最大动弯矩均出现在跨中附近,车速不同位置也不同,而全局最大动剪力均出现在车辆下桥的梁端;两车同时上桥时,前后车车距越大,桥梁动挠度、动弯矩、动剪力全局最大值越小,当达到一定车距时,三者不再减小且与单车情况相同;为提高桥梁动挠度、动弯矩、动剪力全局最大值计算精度,桥梁模态截断阶数宜分别大于3阶、6阶、7阶.

轨道不平顺激励下车辆-桥梁垂向随机振动方差解法

提出时滞多维非白噪声轨道不平顺激励下车辆-桥梁垂向随机振动的时域分析方法。采用白噪声滤波法模拟单轮对下的不平顺,在宽频带内识别滤波器参数以实现波长选择功能。基于Pade近似构造累次时滞滤波器以反映各轮对下不平顺之间的时滞关系。结合成型和时滞滤波器,构造以一致白噪声为输入、时滞多维非白噪声不平顺为输出的合成滤波器。建立车辆-桥梁垂向振动模型,并与合成滤波器联立得到一致白噪声激励下的车-桥-滤波器扩阶状态方程。继而提出求解此扩阶时变系统随机振动方差响应的递推算法。算例结果与MonteCarlo模拟法符合良好,表明该方法具有足够的精度,且对时间步长不敏感。

列车-桥梁耦合振动研究的现状与发展趋势

就车桥耦合振动的研究思路、车辆分析模型、桥梁分析模型、轮轨接触关系、激励源、数值计算方法6个方面,系统综述了20世纪60年代以来列车-桥梁耦合振动研究的现状与进展,总结在上述6个方面已取得的一些研究成果和结论,同时,指出目前研究工作中存在的尚待进一步完善的问题,提出了今后的研究方向。

列车-桥梁耦合振动研究综述

针对列车--桥梁耦合振动问题,从模型分类与建立、轮轨接触、数值计算、工程应用等4个方面综述了20世纪60年代至今,特别是近20年以来的研究进展,总结了已经取得的成就与结论.并指出建立更加精细合理、运算效率高的列车--桥梁耦合振动模型,综合考虑整个体系中的各种因素,更系统地分析车、桥相互作用的影响关系,将成为列车--桥梁耦合振动研究的必然趋势.

列车-桥梁-汽车耦合振动仿真分析

用多刚体系统模拟列车、汽车车辆,用空间梁单元、杆单元模拟桥梁。采用密贴假定及蠕滑理论处理轮轨接触关系,设汽车轮胎与公路桥面为点接触且不分离建立列车-桥梁-汽车耦合振动分析模型,编制仿真分析软件。以某公路、铁路两用桥为例进行列车-桥梁-汽车耦合振动分析。结果表明,列车与汽车同时上桥且随汽车数量增多,列车机车及车辆的竖向加速度、脱轨系数、轮重减载率最大值明显增大,汽车对列车运行安全性具有不利影响。