自控水翼阻流助升超高速双体船设计研究

论文以一艘新型30m级自控水翼阻流助升超高速双体船的设计为实例,集中讨论其技术特点以及对该船型所进行实船设计的情况,通过对一些主要型船参数进行的综合比较,显示出该船型优越的水动力性能.该船型可广泛应用于沿海海域.     

高速单体船推进和操纵智能控制联合仿真

文章建立了高速单体船推进和操纵系统的数学模型,并在MATLAB/Simulink平台上建立了相应的仿真模型,实现了高速单体船推进和操纵的联合运动仿真;在仿真过程中,文中使用了模糊控制器和粒子群优化的PID控制器分别对推进和操纵系统进行了控制;仿真结果表明:高速单体船的平面运动过程被比较客观地反映出来,同时两种智能控制方法的控制效果很好,使得在航向控制时,不仅超调量小,而且稳定性好.文中的研究为船舶推进和操纵同时考虑的动态综合分析提供了一种评判优劣的平台;同时这种联合的带智能控制的方法也为船舶初步设计时的综合分析提供了一种参考.     

高速铁路桥上无缝线路力学计算模型对比

高速铁路桥梁、墩台及荷载均具有很强的空间力学特性, 平面力学模型不能很好反映上述工况, 有着较大的局限性。在吸收前人研究成果的基础上, 建立了梁、轨纵向相互作用三维有限元空间力学计算模型, 以秦沈客运专线32 m多跨简支双线整孔箱形梁桥为例, 对其进行了纵向力分析, 并与传统平面力学模型进行了比较。对于伸缩附加力, 平面模型与空间模型计算结果相差不大; 对于挠曲附加力, 平面模型与空间模型计算结果有较大的差别; 当双线对称加载时, 平面模型与空间模型制动附加力计算结果相差不大; 在单线制动或双线对向制动时, 平面模型的计算结果较多超过空间力学模型的计算结果, 其计算结果是偏于保守的。对比分析表明空间力学模型更适宜于各种工况附加力的计算。     

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。     

高速列车牵引变压器悬挂参数动态优化设计

为了优化牵引变压器悬挂参数, 建立了车辆设备21自由度刚柔耦合系统模型, 并基于新型快速显式数值积分法求解了车辆和牵引变压器的振动响应; 计算了车辆系统在不同速度等级下的舒适度指标和设备振动烈度, 确定了变压器最优悬挂频率; 建立了变压器数学模型与车辆设备刚柔耦合模型, 结合最优悬挂频率、振动烈度、舒适度指标、隔振器动态作用力以及变压器悬挂模态与车辆地板局部模态匹配指标对隔振器参数在动态条件下进行多目标优化, 计算了牵引变压器隔振器最优参数。研究结果表明: 当牵引变压器悬挂频率比为0.82~0.98时, 车辆舒适度低于2, 设备振动烈度低于4.5mm·s-1, 满足相关规范要求; 经过优化最终确定第1组隔振器垂向刚度、三组隔振器刚度比、每组隔振器三向刚度比分别为2 142N·mm-1、1∶1.3∶2.5、1.7∶0.5∶1, 与变压器原始悬挂方案相比优化后变压器振动烈度最大降低42% (在速度高于200km·h-1条件下), 车辆一位端、中部、二位端舒适度指标平均提升3.53%、3.45%、2.01%, 第1、4隔振器垂向作用力平均降低13.3%, 第2、5隔振器垂向作用力平均降低3.8%, 第3、6隔振器垂向作用力平均降低20.9%。可见, 优化后车辆舒适度、设备振动烈度和隔振器垂向动态作用力均有较好改善。     

高速列车气动性能低温风洞试验

采用低温风洞试验对比了中国高速列车HST、法国高速列车TGV和德国高速列车ICE3的气动性能; 基于EN 14067和TSI标准在铝质材料模型上测试了不同侧偏角下列车阻力、升力和倾覆力矩; 利用粒子图像测速技术测量了列车周围流场, 得到了高速列车与空气的相互作用机理和气动现象; 采用计算流体力学方法模拟了高速列车实际运行情况, 并与低温风洞试验流场测试结果进行了对比。研究结果表明: 0°~10°侧偏角下列车阻力系数绝对值从大到小依次为HST、ICE3、TGV, 侧偏角为0°时, 3种列车的阻力系数分别为0.223、0.166、0.140;0°~5°侧偏角下列车升力系数绝对值从大到小依次为TGV、ICE3、HST, 且数值均接近0, 其中ICE3、HST为正升力, 列车受压向轨面力, TGV为负升力, 列车受上浮力; 0°~5°侧偏角下列车倾覆力矩系数绝对值从大到小依次为TGV、HST、ICE3, 侧偏角为0°时, 3种列车倾覆力矩系数分别为0.021、0.019、0.011;HST高速列车由于头部双层造型设计, 在头部曲面过渡处出现流动分离, 增大了列车摩擦阻力和压差阻力, 导致列车阻力系数比TGV和ICE3偏大一些, 但阻力系数在高速列车头型设计技术要求限值0.25之内, 且升力和倾覆力矩性能较好, 列车具有良好的稳定性, 满足高速列车头型气动设计的工程需求。     

列车荷载下桥上CRTS Ⅲ型板式无砟轨道挠曲力与位移

针对中国自主研发的CRTSⅢ型板式无砟轨道在运营阶段的受力变形问题, 以梁-板-轨相互作用原理为基础, 考虑钢轨、轨道板、自密实混凝土层及底座板等细部结构的空间尺寸与力学属性, 运用有限元法建立了高速铁路桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路精细化空间耦合模型; 计算了列车荷载作用下轨道及桥梁结构的挠曲力与位移, 分析了不同列车荷载作用长度、桥上扣件纵向阻力及墩台顶固定支座纵向刚度对挠曲力与位移的影响。研究结果表明: 在全桥加载情况下, 多跨简支梁桥上钢轨挠曲力在支座处表现为拉力, 跨中表现为压力, 大跨连续梁主桥上钢轨挠曲力在两侧边跨表现为拉力, 中间跨表现为压力, 单线加载时2种桥上有载侧钢轨挠曲力分别达到了38、53 kN, 约为双线加载时的1/2;轨道、桥梁结构纵向力与位移最大值不同时出现在同一工况下, 需要根据不同的检算部件选取最不利的列车荷载作用长度, 并将ZK活载中的集中力设置在跨中位置; 采用小阻力扣件可以改善钢轨受力与变形, 简支梁桥和连续梁桥上钢轨最大挠曲力分别减小了35%和22%, 钢轨纵向位移分别减小了7%和5%, 但轨板相对位移分别增大了26%和30%, 需加强观测以控制钢轨的爬行; 从轨道及桥梁结构的安全性与耐久性角度考虑, 建议将墩台顶纵向刚度控制在设计值的1.0~1.5倍范围内。     

高速列车牵引变压器振动响应容限有限元分析

为保证高速列车车下设备结构的安全性, 基于振动响应容限仿真计算方法和米塞斯应力屈服准则, 运用有限元仿真模型对线性和非线性悬挂刚度下高速列车牵引变压器的振动响应容限进行研究。对牵引变压器沿纵向、横向、垂向同时加载, 得到响应应力最大的危险节点。对牵引变压器分别沿纵向、横向、垂向进行加载, 得到危险节点的6个应力分量和不同方向振幅的关系, 并基于叠加原理, 得到纵向、横向、垂向同时加载下危险节点应力分量和不同方向振幅的关系。基于求得的米塞斯应力函数与米塞斯应力屈服准则, 得到振动响应容限。分析结果表明: 基于叠加原理, 可以运用MATLAB替代ANSYS对线性悬挂刚度下的振动响应容限进行仿真计算; 线性与非线性悬挂刚度下的振动响应容限曲面间存在一条垂向位移等值曲线, 当横向位移与纵向位移组成的坐标点位于垂向位移等值曲线在平面内的投影线以下时, 线性悬挂刚度下垂向位移的振动响应容限比相应非线性悬挂刚度下的振动响应容限大, 当横向位移与纵向位移组成的坐标点位于垂向位移等值曲线在平面内的投影线以上时, 线性悬挂刚度下垂向位移的振动响应容限比相应非线性悬挂刚度下的振动响应容限小。     

新型高速艇的CFD模拟和对比分析

高速艇具有体积小、航速高、智能等优点,可以完成搜救、探测、导航和作战等多种任务,广泛应用于军民用领域。研究高速艇的阻力性能对艇体的型线设计和艇体的流体动力学性能分析都显得十分重要。设计一种新型高速艇,通过NUMECA系列软件对不同的高速艇进行数值模拟计算,以研究此类新型高速艇的水动力性能。研究表明：加装水翼或防飞溅条均可增加艇体的升力,使艇体更快地处于滑行状态,安装了防飞溅条的翼滑艇的阻力性能良好。     

高速列车气动噪声贡献量分析

建立了3节编组的CRH380B高速列车气动噪声计算模型, 包括6个转向架、2个风挡、3个空调机组和1个DSA380型受电弓等细微结构, 采用基于Lighthill声学理论的宽频带噪声源模型对高速列车气动噪声源进行识别, 基于高阶有限差分法的大涡模拟对高速列车近场非定常流动进行分析, 并采用Ffowcs Williams-Hawkings声学比拟理论对高速列车气动噪声进行预测。计算结果表明: 远场噪声计算结果与风洞试验结果的最大差值为1.45dBA, 因此, 高速列车气动噪声计算模型是准确的; 对气动噪声贡献量由大到小依次为转向架系统(6个转向架)、车端连接处(2个风挡)、受电弓与空调机组, 数值分别为83.58、79.31、74.08、59.71dBA; 以受电弓开口方式运行的整车气动噪声贡献量小于闭口方式, 最大声压级和平均声压级分别小于0.40、0.31dBA; 头车一位端转向架对转向架系统气动噪声贡献量最大, 为79.73dBA; 对受电弓气动噪声贡献量由大到小依次为: 碳滑板、平衡臂、弓头支架、底架、绝缘子、下臂杆、铰接结构、上臂杆、拉杆与平衡杆, 数值分别为97.95、93.02、86.63、82.07、79.46、76.85、72.43、66.63、62.02、54.22dBA; 在速度为350km·h^-1时, 受电弓气动噪声存在主频为305、608、913 Hz, 且此3阶单频噪声频率是由弓头部位涡流脱落所导致的气动噪声贡献。