中低速磁浮交通电磁辐射原理研究

研究目的:中低速磁浮列车运行时,会对外产生电磁辐射。目前对中低速磁浮交通电磁辐射的研究主要采用现场测试的方式,基于测试值,分析中低速磁浮交通对临近铁路、机场等相关无线电子设施的电磁辐射影响。本文则从理论角度分析中低速磁浮交通电磁辐射的原理,通过Maxwell软件对悬浮电磁铁产生的直流稳态磁场和直线电机产生的低频交流磁场进行仿真分析;采用时域有限差分方法对电弧放电引起的高频电磁场进行理论计算,最后基于理论结果分析中低速磁浮交通对临近铁路和机场无线设施的电磁辐射影响情况。研究结论:(1)中低速磁浮交通产生的对外电磁辐射主要包括三个方面:悬浮电磁铁产生的磁场为直流稳态磁场,主要分布于磁浮气隙附近;直线电机产生的磁场为低频交流磁场,由于频率很低,无法形成有效的辐射,故主要分布在列车附近;电刷与供电轨产生的电火花能辐射出MHz级别的电磁波,能够有效地在空间中进行传播,故干扰距离较远;(2)中低速磁浮交通产生的电磁辐射场是一个复合空间电磁场,在近距离空间场不仅包括电弧放电引起的高频电磁场,还包括悬浮电磁铁、直线电机产生的低频磁场,在远距离空间场主要包括电弧放电引起的高频电磁场;(3)本研究成果可用于了解中低速磁浮交通的电磁辐射原理和对外的电磁辐射影响,可为中低速磁浮交通的工程建设提供参考。     

EMS型磁浮列车悬浮静磁场电磁环境仿真研究

为量化评估常导电磁悬浮(EMS)型磁浮列车的电磁环境风险，在确定位于磁浮列车悬浮架两侧的直线电机转子励磁线圈为辐射源的基础上，采用有限元软件COMSOL Multiphysics，建立长定子轨道和EMS型磁浮列车三维结构模型，对直线电机的悬浮电磁特性以及它在周围空间和磁浮列车车厢内产生的静磁场进行仿真计算，并将车厢内的磁通密度计算结果与静磁场暴露限值标准进行对比。结果表明：长定子直线电机在励磁电流为25 A时，悬浮间隙中心线处磁通密度最大模值约为0.9 T，悬浮电磁力约为19.7 kN·m^-1；磁浮列车夹层位置处磁通密度最大模值在9.39～53.6 uT范围内，车厢内磁通密度最大模值约为6.93 uT；悬浮励磁线圈在车厢内产生的磁通密度最大值远低于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)对一般公众推荐的400 mT静磁暴露限值，且满足标准EN 45502-2-1—2003和GB 16174.2—2015中小于1 mT的静磁场暴露控制限值。     

中低速磁浮列车-大跨度连续梁耦合振动研究

研究目的:本文针对目前世界上最大跨度中低速磁浮桥梁,建立中低速磁浮车辆-控制器-桥梁系统耦合动力学模型,考虑轨道不平顺的影响,研究3节编组中低速磁浮列车以不同速度、不同车辆载荷(空载、定员和超员状态)通过桥梁时车辆和桥梁的竖向动力响应,评价主跨110 m中低速磁浮连续梁车桥系统的动力性能。研究结论:(1)车体的最大垂向加速度为0.447 m/s~2,Sperling舒适度指标最大值为1.664,垂向乘坐舒适度达到"优";(2)悬浮间隙最大波动值为2.26 mm,除车速100 km/h外,其余工况波动值均在2 mm以内,悬浮系统具有足够的悬浮稳定性;(3)梁体跨中最大竖向加速度为0.065 m/s~2,远远小于限值0.5g;(4)本研究成果可为大跨度中低速磁浮桥梁的设计和应用提供参考。     

基于改进模型的异步电机最小二乘参数辨识

针对以往异步电机最小二乘法参数辨识模型复杂的缺点,在转子磁场定向的矢量控制基础上,在同步旋转轴系下对电机的电流矢量、电压矢量以及磁链矢量进行解耦,建立电机的数学模型,经过线性化,得到了用于递推最小二乘参数估计的线性化模型。该模型简单实用,在电机暂态过程中只需要求出电流的一阶导数,而以往的静止坐标系下的模型需要得到电流的二阶导数,存在计算量大、误差较大的缺点。电机运行进入稳态电流的导数为零,通过计算即可得到电机的参数。采用二阶巴特沃思滤波器对电流进行滤波,避免了高次谐波和噪声的影响。并运用改进欧拉方法对巴特沃思滤波器的状态方程进行求解,无需对电机模型的一阶导数项进行离散化处理,便可得到滤波后的电流和电流的一阶导数,简化计算的同时提高了计算精度。本算法在DSP控制系统上进行了实验,结果证实该算法收敛速度快、精度高,可以准确得到电机的参数。     

长初级双边直线感应电机推力输出研究

研究目的:以麦克斯韦微分方程组为基础,结合直线感应电机T型等值电路,分析研究双边直线感应电机在考虑边端效应情况下的电磁推力输出,同时采用有限元计算方法,仿真验证理论计算有效性。计算推导双边直线感应电机数学表达式,并通过具体设计参数建立电机仿真模型,实验分析不同因素下滑差频率控制推力输出,通过对电磁推力输出特性分析研究,实现恒电流滑差频率优化控制。研究结论:(1)通过双边直线感应电机数学模型及等效电路计算各种机械特性,并推导横向和纵向边端效应修正系数,电机高速运动时,边端效应对电磁推力输出影响小;(2)采用电磁场有限元工具软件,建立双边直线感应电机仿真模型,将理论计算与仿真数据进行多次对比分析,理论计算与仿真结果基本吻合,保证数学模型有效性;(3)仿真分析滑差频率、运行速度、气隙,以及动子长度对电磁推力输出的影响,对于不同的运行速率,适当调节滑差频率,可增大电磁推力输出,低速最优滑差值为2 Hz附近,高速最优滑差频率区间为4.0~6.0 Hz,在满足电机在额定条件下,可实现电磁推力最优化控制;(4)双边直线感应电机的分析研究结果对航母舰载机电磁发射系统具有重要指导意义。     

高速动车组恒速控制策略的研究与仿真

为实现电动车组在0～250 km/h的速度范围内稳定运行,提出一种恒速控制策略.通过牵引控制与恒速控制之间平滑过渡,防止在不同控制方式之间切换时引起较大的转矩和电流波动.在速度低于125 km/h采用准恒转矩控制,速度高于125 km/h采用恒功率控制.采用直接转子磁场定向控制系统,牵引逆变器采用空间电压矢量控制的带中点钳位二极管的三电平拓扑结构.仿真结果验证系统具有良好的动态性能和稳态性能.     

铁路隧道洞门目标可靠度及分项系数确定方法

研究目的:铁路隧道洞门受力复杂、断面变化大,洞门可靠度研究少。研究隧道洞门目标可靠度及分项系数计算方法可为铁路隧道洞门的可靠度设计提供参考。研究结论:(1)目标可靠指标由各极限状态中最小的可靠指标决定,目标可靠度分项系数基于目标可靠指标求得;(2)目标可靠指标计算中,不同计算方法计算结果有差异,通过对三种适用于铁路隧道洞门目标可靠指标计算方法进行分析比较和结合实例计算,认为分位值法相对比较简便实用,可用于隧道洞门目标可靠指标的计算;(3)明确了分位值法计算铁路隧道洞门目标可靠指标分项系数的详细计算过程,并通过实例计算验证了分位值法计算分项系数的可行性;(4)土压力分项系数对铁路隧道洞门各极限状态均有影响且最大,因此应加强隧道洞门土压力统计特征研究;(5)本文提出的铁路隧道洞门目标可靠度及分项系数确定方法,可直接用于铁道隧道洞门结构设计。     

中低速磁浮轨道系统特点及工程适应性分析

研究目的:本文以中低速磁浮轨道系统特点为研究对象,研究当前国内外三种典型的中低速磁浮轨道结构形式,介绍各重要组成部件的主要技术特征及设计应注意的问题,并对其工程适应性进行简要分析,从而加深对中低速磁浮轨道系统特点及工作特性的理解和认识,为完善中低速磁浮轨道结构设计提供参考。研究结论:(1)中低速磁浮轨道系统一般包括轨道设备及其支承结构,并组成断面为"T"形的结构形式,合理的轨道结构形式设计的关键在于良好的处理轨道与轨道梁的相互关系;主动控制的磁轨关系对于轨道系统的设计有决定性影响;磁浮系统稳定性要求轨道设计满足大质量、大阻尼和小变形要求;小间隙悬浮对轨道系统提出了严格的高精度要求;(2)针对实际工程应用:HSST系统轨道有相对较多的实际应用经验,但无法实现F轨的灵活调节;无轨枕直连式轨道经济性较差;整体式道床轨道通过设置道床调整层和上承式扣件系统实现轨道结构的高度整体性和良好的几何形位保持性,符合中低速磁浮交通系统技术要求;(3)本研究成果可为中低速磁浮交通运营线轨道设计提供参考。     

桥梁徐变效应的有限元算法研究及程序验证

徐变是控制混凝土桥梁设计的重要因素,但因徐变计算一般封装于商业软件中,设计人员无法掌握计算原理。为研制自主有限元软件,摸索出桥梁徐变计算过程,从徐变系数开始研究,并对Midas帮助文件和基于Tr9st-Bazant的工程实用分析算法进行基于公式推导的对比分析;基于分析结果进一步给出递推形式的徐变累加计算模型,并通过连续梁实例测试验证。研究结果表明：(1)Midas帮助文件给出的徐变算法和基于Tr9st-Bazant基本方程的徐变算法本质上是一致的,当满足ρ(t,τ₀)=1/2时,两者之间的方程是等价的;(2)通过加权最小二乘法将徐变系数写成通用格式,可将基于空间梁单元的徐变算法改造成递推形式,加快运算速度;(3)基于递推形式编制的卧龙程序,在同等边界条件下,其徐变位移的计算精度满足工程设计要求,竖向最大相对误差3%左右,且绝对误差较小,水平向相对误差在1%以内。     

桥梁温度分布情况对桥上无砟轨道的影响分析

研究目的:为研究不同桥梁温度分布情况对无缝线路的力学特性和轨道静态几何形位的影响,根据梁轨相互作用理论和有限元法,建立简支梁桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路计算模型,分别分析在桥梁均匀温度荷载和不均匀温度荷载作用下无缝线路的受力与变形情况,并研究两种温度荷载对轨道静态几何形位的影响。研究结论:(1)在桥梁不均匀温度荷载作用下,无缝线路受力和变形与桥梁均匀温度荷载作用下的计算结果存在较大的差异性;(2)两种桥梁温度荷载作用下,轨道几何形位会产生一定的改变,且均对高低偏差和水平偏差影响较大,而对轨距偏差和轨向偏差影响较小;(3)当桥梁阴、阳面温差为30℃时,高低偏差最大值为-3.23 mm,大于其相应的限值±2 mm,因此在进行桥上无缝线路设计时不可忽略梁体温差对轨道几何形位的影响;(4)建议在进行高速铁路桥上无砟轨道无缝线路设计时,采用桥梁均匀温度荷载进行加载,而在检算时,采用桥梁不均匀温度荷载进行加载;(5)本研究成果对简支梁桥上无砟轨道无缝线路设计具有参考价值。     

径向型高温超导轴承悬浮特性的有限元分析

通过数值模拟方法研究高温超导轴承是重要方法之一。提出了基于H法(磁场强度法)的有限元数学模型,在二维轴对称空间计算了径向型高温超导轴承的悬浮力。通过与试验数据的比较,验证了模型的正确性。基于此模型,分析了在永磁转子轴向运动的过程中,高温超导轴承的磁场特性和超导定子中感应电流密度的分布特性,进而得出相应的结论。建立的数学模型不仅可以分析多层超导定子的径向型高温超导轴承,而且对内转子型和外转子型两类径向型高温超导轴承均适用。     

中低速磁浮轨道伸缩接头的布置及结构设计

研究目的:中低速磁浮轨道伸缩接头是设置在相邻轨排间伸缩缝位置的连接装置,根据其适应轨缝伸缩量大小的不同,可分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型伸缩接头。为满足中低速磁浮运营线建设的需要,需对轨排与下部基础相互作用规律进行研究,提出伸缩接头的布置原则,并对其结构进行优化。研究结论:(1)桥梁中部轨排间伸缩位移的量值较小,采用Ⅰ型伸缩接头即可满足轨排间伸缩变形的要求;(2)桥梁端部轨排间伸缩位移主要受桥梁温度跨度的影响,伸缩接头的选用应根据桥梁的温度跨度,并结合所处气温条件和桥梁伸缩徐变具体计算确定;(3)提出了新型伸缩接头,包括Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型伸缩接头,满足了磁浮车辆对伸缩接头提出的要求,并在长沙磁浮工程中得到了应用;(4)本文研究对中低速磁浮伸缩接头的选用和结构设计具有一定的参考意义。     

基于空间分析的铁路横断面土方数量自动统计

研究目的:本文主要研究了基于空间解析的铁路路基横断面成分结构识别及分类土方数量自动计算。在传统铁路设计中,路基横断面土方量的计算依靠人工量取,效率低下,且不同工程人员对结构归类存在认识偏差,有必要对路基横断面各部分的结构进行提取并计算结构数量。为了对各个断面的土体结构准确地分类提取,首先需要对图形中各要素进行过滤筛选、归类及预处理;依据线要素的拓扑关系采用空间定向跟踪的方法对断面的主要填方成分结构进行逆时针追踪确立最小包围圈,同时对总填方以逆时针方向寻找最大包围圈,利用微积分法计算各包围圈面积,对不同地层的挖方依据其嵌套关系按照差分法进行计算求取;最后,对所有路基断面的各种工程数量自动输出形成规范化的统一表格。研究结论:(1)本方法应用于多个铁路工程的初步设计与施工图设计阶段,在工程实践中得到了验证,对路基断面的识别及统计准确率在90%以上;(2)本方法有效地解决了路基土方数量自动统计的难题,提高了工作效率数十倍以上,在辅以人工预处理及检校的基础上可以应用于生产设计。     

超大跨度协作体系桥上轨道几何状态分析

为分析评估超大跨度斜拉-悬索协作体系桥上线路空间线形和轨道几何形位特征,以某超大跨度协作体系跨海大桥为例,通过数值分析从线形参数、虚拟中点弦测和列车动力学评价等角度对桥上轨道几何状态进行分析。研究结论如下：(1)对设计状态各工况下的梁面变形进行拟合和线路参数分析,均满足相关规范要求,且温度变化引起的桥梁竖向位移较为显著,整体降温工况下跨中轨面高程增加,跨中纵断面竖曲线曲率增加;(2)40 m中点弦测法计算得到轨向弦测幅值较小,高低最大弦测幅值为21.93 mm,对应垂向加速度为0.199g,仍留有一定的安全余量;(3)列车行为动力学评估得到未被平衡离心加速度满足舒适度控制标准及相关规范,且离心加速度最大值主要集中在边跨桥墩附近,同时,桥塔附近也存在离心加速度极大值,运维部门需关注;(4)需加强轨道不平顺对列车运行的影响研究,提出适合高速铁路大跨度桥梁的轨道静态平顺性能控制指标。     

中低速磁浮承轨梁结构选型研究

研究目的:我国已开通运营两条中低速磁浮系统线路。相比长沙中低速磁浮线,北京中低速磁浮S1线采用桥上承轨梁结构,是该种结构形式在国内的首次工程应用。为指导类似工程的承轨梁结构设计工作,本文通过对承轨梁断面形式、纵向长度、荷载类型、受力特性等方面的研究,提出适用于桥上双线的承轨梁结构型式及结构配筋计算,以期为承轨梁结构设计提供依据。研究结论:(1)考虑接触轨、承轨台、轨排布置、限界要求等因素,承轨梁采取门型结构型式;(2)其纵向长度根据接触轨授流可靠性及"以直代曲"要求确定,以沿线路纵向长度2.9 m的结构为主要铺设类型;(3)根据承轨梁结构型式的荷载分类以及不同工况下的受力分析,提出了桥上承轨梁结构配筋方式,可为类似工程设计及建设工作提供参考和依据。     

改进型波形钢腹板组合箱梁的动力特性分析

研究目的:为了给考虑剪滞剪切效应波形钢腹板-钢底板-混凝土顶板(简称改进型波形钢腹板,即CSWSB)组合箱梁动力特性计算提供一种新的计算方法,本文通过考虑剪滞剪切变形效应和顶底板的不同材料属性,推导出CSWSB组合箱梁的控制微分方程组及其解析解,以及该类型组合箱梁的单元刚度矩阵、等效结点荷载列阵、一致质量矩阵,并以杆系结构有限单元法为基础编制求解广义特征值的Matlab程序,且采用等效刚度法对传统波形钢腹板(简称CSW)和CSWSB组合箱梁的动力特性进行对比。研究结论:(1) CSWSB组合箱梁在考虑了剪滞剪切变形效应后的振动频率均有不同程度的减小,且随着振动频率阶数的增加,影响程度也逐渐变大,在四阶时达到了40%;(2)按照刚度等效原则换算得到CSW组合箱梁的自振频率均小于CSWSB组合箱梁的自振频率,振型模态完全吻合,振动趋势一致;(3)对CSWSB组合箱梁进行动力特性分析时应考虑剪力滞和剪切变形效应的影响,且采用换算截面法对CSWSB组合箱梁进行动力分析是可靠的。     

砂质泥岩地层装配式竖井围岩压力及结构设计参数研究

传统钻爆法在进行城市地铁竖井施工时对环境影响较大,采用机械开挖施工可有效减小对周边环境的扰动,为此需要对与机械开挖相配套的装配式竖井围岩压力及结构设计参数进行研究。以重庆地铁15号线重光站竖井工程为依托,对砂质泥岩地层竖井井壁围岩压力计算方法及装配式竖井衬砌管片结构设计参数开展研究,得出的主要结论如下：(1)推导出适用于砂质泥岩地层竖井井壁围岩压力计算公式,该公式计算结果与数值模拟结果规律相近;(2)得出不同应力释放条件下围岩压力数值模拟结果与解析公式的比值,给出了围岩压力折减系数的计算公式;(3)基于三维“壳-弹簧”数值模型模拟结果,提出砂质泥岩地层装配式竖井结构设计参数,建议管片衬砌等分为8块,衬砌厚度取0.6 m,管片幅宽取2 m,采用错缝方式进管片拼接。     

地震条件下被动土压力及其分布分析的新方法

研究目的:目前国内外关于地震条件下被动土压力及分布分析的方法,要么存在分布规律及位置不合理,要么存在推导过程复杂、求解麻烦、适用条件苛刻等局限性。本文采用旋转挡土墙计算模型的变换法,将在地震条件下被动土压力的求解问题转化为在静力条件下被动土压力的求解问题,对于简化被动地震土压力问题,统一地震土压力的求解等方面具有参考价值。研究结论:(1)根据在静力条件下水平层分析法的被动土压力推导结果,直接获得在地震条件下被动土压力强度分布、土压力合力及其作用点位置的表达式,并运用图解法得到了临界破裂角的解析解;(2)公式考虑了水平和垂直地震加速度、不同墙背倾角、墙背、坡面倾角与填料存在粘结力和外摩擦角、存在均布超载等诸多因素的影响,公式可以适用于在常用边界和地震条件下黏性土的被动土压力计算;(3)本文方法大大简化了在地震条件下的被动土压力计算公式推导过程,统一了地震土压力的求解,理论更加完善;(4)本文研究成果可应用于地震条件下挡土墙结构被动土压力的快速求解计算。     

基于可靠度方法的既有铁路边坡稳定性分析

研究目的:在山区既有铁路沿线进行工程项目建设时,常常会影响原有边坡的稳定性,甚至形成工程滑坡,因此合理评价边坡稳定性是保证既有铁路安全运营的重要前提。本文建立了结合有限元强度折减法和点估计法的边坡可靠度分析方法,并以修建厂房开挖坡脚引起的既有线隧道口边坡失稳为例进行系统分析。研究结论:(1)基于可靠度理论的边坡稳定性评价方法,能较全面地反映岩土参数的空间离散性、时间变异性等不确定性因素的影响,分析结果更为符合工程实际;(2)将有限元强度折减法与点估计法相结合,用于既有铁路边坡稳定性的可靠度分析,克服了传统的安全系数法的缺点,可较为全面地反映岩土体参数变异性对边坡稳定性的影响;(3)计算结果与Monte-Carlo法计算结果基本一致,但计算过程较为简单,因此工程实用性较好,可为类似工程提供借鉴。     

大跨公铁同层斜拉桥超宽幅钢箱梁剪力滞效应

超宽幅钢箱梁高宽比较小,竖向荷载作用下超宽幅钢箱梁处于双向受弯状态,其受力特征不同于常规钢箱梁。为研究正弯矩作用下超宽幅钢箱梁剪力滞效应引起的纵桥向正应力非均匀分布特征,以宜宾临港长江大桥为工程背景,利用ANSYS建立超宽幅钢箱梁跨中梁段空间有限元模型;考虑7种典型荷载工况,计算得到不同荷载工况下超宽幅钢箱梁顶板及底板纵向剪力滞系数分布;并研究不同横隔板间距及斜拉索索距对超宽幅钢箱梁顶板及底板纵向剪力滞系数的影响。研究结果表明：(1)超宽幅钢箱梁在不同荷载作用下,结构受力存在明显的空间受力特征,双向弯曲,约束扭转、剪力滞后等力学行为值得关注;(2)正弯矩作用下顶板纵向正应力受正剪力滞效应影响,底板纵向正应力受负剪力滞影响;(3)适当增加横隔板间距及减小斜拉索索距可降低剪力滞效应;(4)超宽幅钢箱梁设计时应进行精细化分析,以明确结构空间受力特征。