基于可靠性的高速列車風(fēng)致安全研究.pdf

1、隨著列車的提速運(yùn)行，氣流對(duì)列車運(yùn)行的影響越來越明顯，列車空氣動(dòng)力學(xué)問題已經(jīng)成為影響列車運(yùn)行安全和制約列車提速的關(guān)鍵問題。自然界中強(qiáng)側(cè)風(fēng)的存在，嚴(yán)重惡化了高速列車的空氣動(dòng)力學(xué)性能，直接威脅著列車的行車安全。針對(duì)高速列車的強(qiáng)側(cè)風(fēng)運(yùn)行安全問題，本文建立考慮隨機(jī)風(fēng)速縱向脈動(dòng)分量的高速列車非定常氣動(dòng)載荷的計(jì)算方法，研究高速列車的非定常氣動(dòng)載荷特性。建立高速列車運(yùn)行安全的可靠性評(píng)估及靈敏度分析方法，研究隨機(jī)風(fēng)下高速列車的運(yùn)行安全特性。建立車輛系統(tǒng)動(dòng)

2、力學(xué)參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)可靠性優(yōu)化計(jì)算模型，開展高速列車的抗風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立同時(shí)考慮隨機(jī)風(fēng)速縱向脈動(dòng)分量和橫向脈動(dòng)分量時(shí)高速列車非定常氣動(dòng)載荷的計(jì)算方法。
　　基于計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)建立側(cè)風(fēng)下高速列車的穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷系數(shù)的數(shù)值計(jì)算方法，獲得穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷系數(shù)與側(cè)偏角之間的關(guān)系?；贑ooper理論和諧波疊加法計(jì)算橫風(fēng)環(huán)境中隨車移動(dòng)點(diǎn)的隨機(jī)風(fēng)速，分析車速和平均風(fēng)速對(duì)無量綱功率譜密度和脈動(dòng)風(fēng)速的影響。采用準(zhǔn)定常法、改進(jìn)準(zhǔn)定常法、權(quán)重函數(shù)

3、法和改進(jìn)權(quán)重函數(shù)法四種方法分析比較橫向隨機(jī)風(fēng)作用下高速列車的非定常氣動(dòng)載荷，并推導(dǎo)出非定常氣動(dòng)載荷的概率分布特性。進(jìn)一步，基于Cooper理論和諧波疊加法計(jì)算側(cè)風(fēng)環(huán)境中隨車移動(dòng)點(diǎn)的隨機(jī)風(fēng)速，研究風(fēng)向角對(duì)無量綱功率譜密度和脈動(dòng)風(fēng)速的影響，建立任意風(fēng)向角下高速列車非定常氣動(dòng)載荷的計(jì)算方法，研究側(cè)風(fēng)下高速列車非定常氣動(dòng)載荷的統(tǒng)計(jì)特性。
　　基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論建立高速列車車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，將非定常氣動(dòng)載荷加載到車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中計(jì)

4、算列車的運(yùn)行安全指標(biāo)，進(jìn)而得到系統(tǒng)的功能函數(shù)。以隨機(jī)風(fēng)速、側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)、側(cè)滾力矩系數(shù)、搖頭力矩系數(shù)和點(diǎn)頭力矩系數(shù)為基本隨機(jī)變量，采用半解析方法和Monte Carlo模擬方法計(jì)算隨機(jī)風(fēng)環(huán)境下高速列車運(yùn)行安全的隨機(jī)可靠性和可靠性靈敏度，并最終給出隨機(jī)風(fēng)速作用下高速列車的概率特征風(fēng)速曲線。概率特征風(fēng)速曲線可以有效評(píng)估高速列車在某一平均風(fēng)速和車速下脫軌的概率。通過與傳統(tǒng)確定性方法得到的特征風(fēng)速曲線（安全域曲線）進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)確定性方

5、法得到的安全域曲線偏于保守，基于可靠性的方法可得到更合理的安全域曲線。
　　針對(duì)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)具有模糊性的情況，將結(jié)構(gòu)的失效考慮為模糊隨機(jī)事件，給出模糊隨機(jī)事件的可靠性和可靠性靈敏度分析的重要抽樣法，并將其應(yīng)用到高速列車上，研究隨機(jī)風(fēng)作用下高速列車安全運(yùn)行的模糊隨機(jī)可靠性和可靠性靈敏度。當(dāng)考慮失效準(zhǔn)則的模糊性時(shí)，系統(tǒng)的失效概率增大，將模糊的極限狀態(tài)考慮為確定的極限狀態(tài)將會(huì)引起失效概率的過低估計(jì)。由于系統(tǒng)中隨機(jī)變量的分布參數(shù)具有不確定

6、性，建立分布參數(shù)具有隨機(jī)不確定性的結(jié)構(gòu)可靠性計(jì)算方法，并將其應(yīng)用到高速列車上，研究各個(gè)隨機(jī)變量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差的隨機(jī)不確定性對(duì)高速列車運(yùn)行安全可靠性的影響。進(jìn)一步，同時(shí)考慮失效狀態(tài)的模糊性和分布參數(shù)的隨機(jī)不確定性，建立其失效概率計(jì)算的重要抽樣法和快速近似計(jì)算法。
　　為提高高速列車的抗風(fēng)性能，建立高速列車動(dòng)力學(xué)參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，以輪重減載率和輪軸橫向力為優(yōu)化目標(biāo)，采用多目標(biāo)遺傳算法NSGA-Ⅱ?qū)Ω咚倭熊噭?dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)自

7、動(dòng)尋優(yōu)設(shè)計(jì)。通過對(duì)高速列車動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，高速列車在各個(gè)車速及風(fēng)速下的輪重減載率和輪軸橫向力的數(shù)值均比優(yōu)化前的數(shù)值顯著降低。同時(shí)對(duì)優(yōu)化前后高速列車的平穩(wěn)性及舒適性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的列車的橫向振動(dòng)加速度、橫向平穩(wěn)性指標(biāo)和舒適性指標(biāo)均顯著降低，優(yōu)化后的垂向振動(dòng)加速度和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)雖然有所增加，但其數(shù)值遠(yuǎn)小于其限值，即優(yōu)化后的動(dòng)力學(xué)參數(shù)在改善高速列車抗風(fēng)安全性能的同時(shí)不會(huì)引起其它動(dòng)力學(xué)性能的惡化。進(jìn)一步，建立隨機(jī)風(fēng)作用下高

8、速列車動(dòng)力學(xué)參數(shù)的多目標(biāo)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，以失效概率和輪軸橫向力為優(yōu)化目標(biāo)，采用多目標(biāo)遺傳算法NSGA-Ⅱ進(jìn)行高速列車動(dòng)力學(xué)參數(shù)的多目標(biāo)自動(dòng)尋優(yōu)設(shè)計(jì)。數(shù)值計(jì)算時(shí)，車速為300km/h，橫風(fēng)平均風(fēng)速為30m/s，經(jīng)過多目標(biāo)可靠性優(yōu)化計(jì)算，高速列車的失效概率由原始的0.4884降低為0.1406，輪軸橫向力由原始的45.13kN降低為43.01kN。
　　建立橫向和側(cè)向隨機(jī)風(fēng)環(huán)境下，同時(shí)考慮隨機(jī)風(fēng)速的縱向脈動(dòng)分量和橫向脈動(dòng)分量時(shí)，高