动车组明线运行空气动力学数值仿真

通过采用不可压缩粘性流体的N-S方程和K-ε双方程湍流模型,建立了带有车轮的200 km/h动车组模型,对其明线运行的外流场进行了空气动力学仿真.并对列车壁面附面层网格进行了细分,得出压力、速度的分布规律,针对网格划分对计算结果的影响进行了探讨.得出如下结论:列车的阻力系数为0.436,升力系数为0.014;此型200 km/h动车组车尾的安全避让距离为6 m;当加密附面层网格使y+从2200减小到55时,阻力系数提高15%.     

高速动车组通过隧道空气动力特性数值分析

应用Navier-Stokes方程对350 km/h高速动车组通过隧道的空气动力特性进行数值模拟,湍流模型采用标准κ-ε双方程模型.计算表明列车在隧道内运行时空气动力学响应发生了剧烈变化:表面最大正压出现在列车鼻端,为8 030 Pa,列车尾部过渡区产生最大负压-5 628 Pa;列车中车底部裙板最大负压为-5 763 Pa;列车阻力系数不断变化,最大值为1.048.列车过隧道时表面压力变化幅值远远超过明线运行,最大增加率达1 259%.计算结果不仅可以作为后续结构强度分析的基础,为车辆优化设计提供参考,同时也为轨道与隧道建筑设计提供了有价值的信息.     

基于小波变换的高速列车表面脉动压力提取

高速列车表面压力测试过程中,为了克服微型压阻式气压传感器测试的脉动压力信噪比低的缺点,有效提取出脉动压力,建立了传感器输出模型;利用相关系数法确定分解层数,根据3原则计算分层阈值,提出一种小波变换阈值去噪方法.用该方法对CRH(China railway high-speed)某型动车组静态测试信号进行去噪处理;并进行200 km/h动车组表面压力测试信号脉动压力的提取,建立了脉动压力功率谱模型.研究结果表明:该方法能有效提取出列车表面脉动压力,测点处脉动压力的幅值在20 Pa范围内时刻波动,频率主要集中在0~200 Hz;建立的脉动压力功率谱模型为列车减振和降噪提供理论指导.      

牵引电动机无速度传感器带速重投解决方案

为了解决无速度传感器交流牵引传动系统带速重投问题,在分析列车运行状态及牵引电机带速重投问题产生原因的基础上,提出了在列车正常运行中利用再生发电状态取代惰行工况的解决方案,并利用Matlab/Simulink仿真验证了该方法的有效性.以动车组CRH3和电力机车HXD3的参数为例,计算了该方案对列车速度和运行时分的影响.研究结果表明,相对于惰行过电分相,该方法对速度大于200 km/h的动车组造成的速度损失和时间损失均小于2%;对速度大于60 km/h的重载货运列车造成的速度损失和时间损失均小于7%.      

客运专线夜间行车与天窗的相互影响分析

客运专线天窗的开设影响夕发朝至列车的运行组织. 考虑高速列车可利用相邻既有线、城际铁路跨线运行,以综合利用运输通道运输能力满足旅客夜间出行需求,本文分析了客运专线开设全线垂直矩形天窗与夜间行车的相互影响,建立了求解最佳矩形天窗位置问题的数学模型,以天窗影响列车OD数最少为目标,以满足夕发朝至列车合理到发时间带为约束,并提出了求解算法. 结合京沪高速铁路实例,运用计算机编程求解,得出不同位置的天窗影响的列车OD数相差不大的结论,并给出动车组速度等级为350km/h和250km/h、速度系数0.9和0.8四种情况下长度为4小时的相对最佳矩形天窗位置. 对受天窗影响的列车提出了运行调整措施,初步分析了开行夕发朝至列车时动车组适宜采取的运行速度.     

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客运专线天窗的开设影响夕发朝至列车的运行组织. 考虑高速列车可利用相邻既有线、城际铁路跨线运行,以综合利用运输通道运输能力满足旅客夜间出行需求,本文分析了客运专线开设全线垂直矩形天窗与夜间行车的相互影响,建立了求解最佳矩形天窗位置问题的数学模型,以天窗影响列车OD数最少为目标,以满足夕发朝至列车合理到发时间带为约束,并提出了求解算法. 结合京沪高速铁路实例,运用计算机编程求解,得出不同位置的天窗影响的列车OD数相差不大的结论,并给出动车组速度等级为350km/h和250km/h、速度系数0.9和0.8四种情况下长度为4小时的相对最佳矩形天窗位置. 对受天窗影响的列车提出了运行调整措施,初步分析了开行夕发朝至列车时动车组适宜采取的运行速度.     

时速250km动车组设备舱裙板气动载荷线路测试分析

为制定时速250 km速度等级动车组设备舱裙板气动载荷谱,通过对实际运行中的时速250 km等级动车组设备舱裙板气动载荷开展线路测试研究,并将全线所有列车通过隧道、列车明线交会工况集中起来统计分析,得出了设备舱裙板各测点内外压差的最大值、最小值和峰峰值的统计分布规律.经分析,列车隧道通过、隧道交会、明线交会时,设备舱裙板各点绝对压力的有不同特征;设备舱裙板气动载荷压差峰峰值最大不超过1500 Pa,该值可作为时速250 km速度等级列车设备舱裙板静强度载荷设计输入参考值;压差峰峰值主要集中在1000 Pa左右,该值可以作为时速250 km等级动车组设备舱裙板气动载荷疲劳设计输入参考值.     

明线运行列车气动地面效应数值模拟

通过数值仿真方法研究了滑移地面以及旋转轮对对明线运行列车气动性能的影响。首先,建立了三车编组列车计算模型,考虑固定和滑移两种不同的地面边界条件、固定和滑移两种不同的路基边界条件、静止和旋转两种不同的轮对边界条件;其次,基于风洞试验数据验证了数值仿真的可靠性,表明了剪切应力运输湍流模型和网格划分的可行性和有效性;最后,对比四种不同组合下的明线运行列车气动性能。研究结果表明:固定地面将得到偏低的列车气动阻力系数,约减少4.27%;滑移路基使得尾车气动阻力系数和整车阻力增加约1.87%,引起这一差异主要原因在于地面和路基的表面附面层厚度差异;静止轮对和旋转轮对对列车气动阻力和升力系数都小于1.0%,因此,列车气动风洞试验可以忽略轮对旋转的影响,考虑地面边界和路基边界的影响。     

降雨环境下大气底层边界型风场对高速列车气动特性影响

采用大气底层边界速度型风场模拟自然风和Marshall-Palmer雨滴谱模型,应用离散相模型研究了风雨联合作用环境下列车运行时气动特性的变化情况.结果表明:雨滴颗粒的加入扰乱了列车周围气流的正常流动,减轻了列车背风侧气流漩涡的脱落,列车迎风侧和背风侧的压力差减小;降雨强度对列车气动特性影响不大,从20 mm/h增大到100 mm/h,受影响最大的横向力仅增大了9.11%;风雨耦合环境下列车的运行速度对气动阻力影响较明显,列车时速从200 km/h到400 km/h,阻力增大了102%;随着车速增大,车辆所受横向力与升力的变化规律与车辆在列车中的位置相关,头车所受到横向力明显增大,而尾车的横向力则呈减小趋势,而所受升力正好相反,头车呈减小趋势,尾车则明显升高.     

平地上高速列车的风致安全特性

为研究高速列车在强侧风作用下安全行驶问题,基于空气动力学和多体系统动力学理论,建立了高速列车空气动力学模型和车辆系统动力学模型.应用该模型计算了不同风向角、不同风速和不同车速下作用于车体上的侧风气动载荷.根据高速列车整车试验规范,以脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力和轮轨垂向力为运行安全指标,分析了头车、中间车和尾车的运行安全性.研究表明:头车的安全性最差,且风向角为90°时,横风情况下最危险.随着车速的增大,最大安全风速急剧减小.当车速为200km/h时,最大安全风速为29.61 m/s;当车速为400 km/h时,最大安全风速为18.87m/s.     

弹射冲击荷载下高速铁路路基振动加速度时频特性

高速铁路具有运营时速快、平顺性高等特点，将其作为列车机动发射站坪具有一定的优势，其振动加速度作为高铁路基结构破坏的关键参数有重要的研究价值.借助ANSYS有限元分析软件，结合弹塑性理论并引入三维一致粘弹性人工边界及其边界单元，建立半无限长无砟轨道-路基-地基非线性耦合静力学分析模型；在此基础上进行模态分析，得到了模型系统的振型、固有频率，进而建立了动力分析模型，并对比弹性地基梁板模型进行模型验证；基于上述动力分析模型，结合弹射冲击荷载得到了各结构层加速度时域信号；最后，基于EEMD-HHT变换对加速度信号进行时频分析.研究结果表明：各结构层加速度在荷载突变处取得瞬时加速度峰值，在0.17 s处取得加速度幅值；各结构层加速度成分主要分布在0～20 Hz，其中，2 Hz及10 Hz两处有明显峰值，且在2 Hz附近分布最为集中；自密实混凝土层、底座板、基床表层几乎没有发生加速度成分的吸收，而基床底层及以下有较大幅的吸收，因此，应重点关注0～20 Hz超低频范围内的基床表层及以上结构层的动力响应.     

孤立波浪边界干扰下流线型箱梁气动特性

近海流线型箱梁主梁距水面较低时,气动特性极易受到极端波浪边界的干扰.为研究极端波浪边界干扰下流线型箱梁气动特性,以孤立波浪模拟极端波浪,基于FLUENT软件,采用铺层网格技术建立了模拟运动孤立波浪边界干扰下流线型箱梁气动特性的数值模型;利用所建立并验证的数值模型研究了不同参数下运动孤立波浪边界对流线型箱梁气动特性（静气动力系数、涡量场以及平均压力系数和脉动压力系数分布）的干扰.分析结果表明：不同孤立波浪边界运动速度干扰下流线型箱梁气动特性明显区别于无波浪工况;随波浪边界运动,迎风角处剪切层方向相比于梁底转折角处（8°风攻角）及梁顶转折角处（-8°风攻角）剪切层方向变化明显;在运动孤立波浪边界干扰下,箱梁抖振响应会随风攻角幅值增大呈增大趋势.     

面向热轴故障的高速列车轴温阈值预测模型

针对现有基于车轴温度固定阈值的故障检测系统适应性差且误报率、漏报率高的问题, 综合考虑列车速度、环境温度与运行工况等因素对轴温的影响以及各因素之间的关系, 建立了高速列车轴温动态阈值预测模型; 考虑高速列车在不同运行工况下轴温变化的差异特征, 将列车运行状态分为加速、匀速和减速3个阶段, 并针对每个阶段运用皮尔逊相关系数法分析列车速度、环境温度、荷载等原始监测数据以及各阶段运行时间、初始轴温等衍生数据与轴温的相关程度; 提取与轴温变化密切相关的因素, 基于多元回归分析方法, 针对列车的3个运行阶段, 分别建立基于原始监测数据的轴温动态阈值预测模型和基于原始监测数据与衍生数据的改进轴温动态阈值预测模型, 并采用F检验方法对模型的有效性进行检验, 基于中国高速列车实测轴温数据对模型的正确性进行了验证。研究结果表明: 列车在加速、匀速与减速3个阶段中, 轴温真实值与改进轴温动态阈值预测模型预测值的平均相对误差分别为2.0%、4.1%和3.3%;相对于基于原始监测数据的轴温动态阈值预测模型, 3个阶段中改进轴温动态阈值预测模型的预测精确度分别提高了79.8%、64.3%和65.6%;改进预测模型的决定系数大于0.99, 显著性概率小于0.05, 表明模型有效。      

强降雨环境下高速列车空气动力学性能

为研究强降雨对高速列车空气动力学性能的影响, 利用Euler-Lagrange方法建立了强降雨环境下高速列车空气动力学计算模型; 空气建模为连续相, 采用Euler方法描述, 雨滴建模为离散相, 采用Lagrange方法描述, 并采用相间耦合方法对降雨环境进行模拟; 分别开展列车气动性能计算及雨滴降落仿真, 并与试验数据进行对比, 验证计算方法的准确性; 数值仿真了强降雨环境下高速列车的流场结构和气动特性。计算结果表明: 随着降雨强度的增加, 在雨滴的冲击作用下, 流线型头型前端区域的正压逐渐增大, 流线型头型后端区域的负压逐渐减小, 从而导致头车气动阻力增大; 降雨强度对高速列车头车气动阻力系数的影响较为显著, 而对气动升力系数的影响较小; 与无降雨环境相比, 当降雨强度为100~500 mm·h-1时, 200 km·h-1车速下的气动阻力系数增加0.004 0~0.020 4, 气动阻力增加85~432 N, 增大率为2.64%~13.46%;300 km·h-1车速下的气动阻力系数增加0.002 7~0.013 7, 气动阻力增加129~652 N, 增大率为1.78%~9.05%;400 km·h-1车速下的气动阻力系数增加0.002 3~0.009 8, 气动阻力增加195~829 N, 增大率为1.52%~6.49%, 因此, 不同车速下, 气动阻力系数随着降雨强度的增加而增大, 且与降雨强度近似呈线性关系; 当车速为300 km·h-1, 降雨强度为100 mm·h-1, 雨滴粒径由2 mm增加为4 mm时, 气动阻力系数由0.152 0增大到0.154 9, 气动阻力增加138 N, 增大率为1.91%, 因此, 高速列车气动阻力系数随着雨滴粒径的增加而增大, 且与雨滴粒径近似呈线性关系。      

考虑层间状态的沥青面层动应变疲劳数值分析

为确定沥青层疲劳寿命与层间接触状态、温度和轴载荷等因素之间的关系,运用ABAQUS有限元软件,建立了考虑层间状态的沥青路面结构数值计算模型,分析了这些因素对沥青层底动应变的影响规律;通过引入常用的沥青路面疲劳寿命模型,构建了适用于半刚性沥青路面的沥青层或超薄路面的沥青层在多因素作用下的疲劳方程一般表达式,确立了沥青层疲劳寿命与各影响因素间的作用关系及其最不利点位.研究结果表明:层间结合系数、温度、轴载荷均对沥青面层疲劳寿命具有明显影响,且分析点位不同,影响程度不同;加强层间粘结能显著提高沥青面层疲劳寿命,在最不利分析点位处,当层间结合系数由0.5增大到0.7时,疲劳寿命提高13.6倍.      

运行图驱动的城轨供电系统负荷过程动态仿真

针对城轨供电系统采用平铺运行图进行负荷过程仿真分析与实际负荷过程差别大，不能准确反应供电系统运营阶段的诸多问题，将运行图中各列车运行时分作为约束条件，建立列车定时节能运行的指标函数，以提高仿真模型准确性；基于固定阶梯级目标速度搜索算法优化列车操纵序列，还原多列车具有电气信息的运行轨迹；以实迹运行图为驱动，实现了供电系统正常运行与异常情形下的负荷过程仿真分析. 算例分析结果表明:基于实迹运行图的仿真结果与实测牵引变电所负荷过程曲线的Pearson相关系数在0.89以上，负荷过程特征值仿真与实测的最大误差不超过6.85%，较平铺运行图仿真结果准确度最高可提升12.91%.      

需求响应机制下轨道交通出行预约与列车运行计划优化方法

轨道交通供给侧的计划性与需求侧的时变性相互冲突，为更好地协同供需双方，提出了需求响应机制下城市轨道交通列车运行计划的优化方法，包括出行预约和需求响应2个环节；建立了需求响应与列车运行计划协同优化模型，以最小化乘客出行成本和列车运行成本为目标，重点关注乘客由于预约行为产生的延误时间成本；考虑列车运行、运输能力、编组情况、客流分布等因素，设计了基于乘客优先级的自适应大规模邻域搜索算法，外层优化列车运行计划，内层优化客流分配方案，最终实现客流的供需匹配；以北京地铁八通线为例，按照需求响应机制对该线路全天的需求处理与运输组织进行数值试验，并对试验结果从车底运用、乘客等待时间和满载率分布三方面进行分析。研究结果表明:该优化方法可使开行的列车数降低13.8%，同时采用多编组模式，使用车辆数减少了29.8%，这能够有效压缩列车走行公里数，削减企业开支；能够在保证乘客基本出行的前提下，最高可将乘客平均在站等待时间缩短约35.3%，并且预约比例的提升对等待时间的削减效果明显；优化后的运行计划能控制列车满载率维持在设定水平，有效降低人员密度，避免人群大规模聚集，对城市轨道交通疫情的有效防控做出有益探索。      

地铁隧道附属广告设施的活塞风作用时变特性

为了预测地铁隧道内由活塞风效应引起的广告牌表面风荷载的时变特性,采用计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）开展了活塞风三维非稳态流动模拟. 基于用户自定义函数（user-defined functions,UDF）定义了列车运行控制与动网格控制程序,搭建了精度更高的活塞风模拟方法,并结合以往的实验与仿真,验证了方法的合理性. 在此基础上根据实际隧道断面建立了全尺寸动网格模型,考虑了不同运行速度下由列车运动引起的流场变化,重点关注地铁隧道内不同位置广告牌表面的静压变化. 研究结果表明,列车经过广告牌时表面静压由正变负,速度增加时会导致广告牌表面的静压显著增大,对于80 km/h的工况静压幅值能超过500 Pa;对于部分以120 km/h运行的地铁,静压幅值超过1 kPa.      

横风下复线路堤高度对高速列车气动性能的影响

利用Creo软件建立了某型动车组头中尾3车编组和不同高度的路堤模型,通过Fluent软件模拟列车在车速分别为300和350 km·h-1,横风风速分别为17.10、20.70、24.40和28.40 m·s-1的环境下运行,将获取的高速列车气动力载荷施加到Simpack建立的动力学模型中,计算其动力学性能参数;深入分析了横风工况下高速列车在不同高度复线路堤背风侧运行时车体的压力分布、气流场结构、气动力与风致安全性,并重点探究了头车在不同运行速度和横风风速下的运行安全性。分析结果表明:在相同车速和横风环境下,随着路堤高度的增加,列车受到的侧向力整体呈增大趋势,尾车在横风作用下受到反向侧向力,头车所受侧向力最大,且升力持续增大,中间车所受升力相对较大,尾车所受阻力最大;横风环境下列车压力峰值点位于头车鼻尖处且向迎风侧偏移,各路堤高度工况下气流场结构基本相同,头车背风侧和底部转向架处有明显的涡流,但尾车处的涡流却在迎风侧,这可能是导致尾车反向侧向力的主因;脱轨系数、轮轴横向力、轮轨垂向力和轮重减载率均随路堤高度和横风风速的增大而增大,轮轨垂向力始终在安全限值内,当横风风速分别为24.40和28.40 m·s-1时,列车运行速度应分别低于350和300 km·h-1,以保证列车行车安全。      

垮塌区隐患资源爆破开挖变形响应的DDA法

针对地下金属矿山垮塌区隐患资源开采的安全问题，应用非连续变形分析法（DDA）研究垮塌区隐患资源在爆破动荷载作用下的变形响应. 通过势能极小化原理和平面应变假设探讨DDA法的计算过程，在DDA模型中引入自由场边界和设置边界单元体的法向与切向自由阻尼器来模拟垮塌区边缘采场的爆破开挖，讨论了注浆加固后的垮塌区滑移面附近区域在爆破动荷载作用下的变形特征. 研究结果表明:DDA模型中的输入波表现出明显的滞后性，根据输入波的滞后性计算波的传播速度与现场实测结果非常接近；爆破开挖后垮塌区滑移线下部区域的变形明显小于上部区域，与实际开挖后现场的监测结果相符合；距离爆源越远的监测点，速度放大系数越大，在DDA法中引入自由场边界和边界单元的自由阻尼器来研究垮塌区边缘采场在爆破动荷载作用下的变形响应是可靠的.