[发明专利]一种基于频谱分析的高速列车倾覆危险性评价方法

说明书

本发明公开了一种基于频谱分析的高速列车倾覆危险性评价方法，其包括：相对于移动列车的脉动风谱计算方法、列车导纳函数识别方法、移动列车非定常气动力计算方法和列车响应频域计算及倾覆概率评价方法；移动列车脉动风谱计算方法解决了基于地面风谱计算不同车速、运行方向下列车风谱的问题；列车导纳函数识别方法识别出了关于不同风向脉动风的导纳函数；移动列车非定常气动力计算方法同时考虑了顺风向、横风向、竖向脉动风的贡献；列车响应频域计算及倾覆概率评价方法，明确了列车极值响应的概率分布，量化了列车倾覆的发生概率。本发明计算出了不同倾覆概率下的列车概率特征风速曲线PCWC，能够评价强风作用下列车运行安全性。

技术领域

本发明属于高速列车运行安全性分析领域，特别是一种基于频谱分析的高速列车倾覆危险性评价方法。

背景技术

近十年来，高速列车因其运行速度快、运送能力大、安全性高、准点率高、舒适度高以及节能、环保等优点，在全世界范围内得到了快速发展，中国高速铁路建设更是处于世界领先水平。然而，高速列车常行驶于跨江、跨海、高路堤、高山峡谷、大风戈壁等风环境复杂多变地区。强风作用下，车体会产生绕背风侧轨道的侧滚力矩，该力矩会导致迎风侧轮对的减载，直接增加列车的倾覆危险性。随着车速的提高、列车重量的减小，车身结构较为钝化的列车对横向风更加敏感。因此，必须对强风作用下的列车运营安全性进行研究，研究内容主要涉及4个方面：①确定移动列车周围的风场特性；②计算作用在移动列车上的气动力；③模拟外荷载激励下的列车响应；④评价强风作用下的列车运行安全性。

列车周围的脉动风场通常使用“阵风等效风速”描述，比如“Chinese hat”，使用此种方法只能得到确定的列车极值响应。然而，脉动风荷载具有随机特性，随机荷载激励下的列车响应也服从一定的概率分布。为了获得具有随机分布特性的列车响应，需要通过脉动风谱、相干函数模拟随机脉动风场。列车响应分析通常在时域中进行，需要将沿线连续的脉动风场离散成有限点处的风场，这些离散风场之间具有相关性，由于离散点数量巨大，沿线风场模拟的计算量是难以完成的。另一方面，相对于移动列车的脉动风谱与相对于静止地面的脉动风谱是不同的，使用列车上的脉动风谱模可以拟出相对于移动列车的脉动风时程，这样可以有效减少计算工作量。

移动列车气动力主要包括平均风荷载和脉动风荷载(非定常气动力)，可以通过列车气动力系数、导纳函数计算得到。目前，普遍认为脉动风荷载完全是由顺风向脉动风引起的，然而，已有研究表明横风向、竖向脉动风也具有重要影响。导纳函数是脉动风谱和气动力谱的传递函数，可以通过风洞试验测试得到。传统识别方法认为风洞中的风场是完全相关的，实际上风洞中的风场并非完全相关，其对完全相关风场下的列车气动力具有折减效应。由于风洞风场的相关性与实际风场是存在明显差异的，因此，有必要移除风动中不完全相关风场带来的折减效应，并考虑实际风场中的气动力相关性。导纳函数是关于频率的函数，在频域中使用更为简单。

在风荷载、轨道不平顺荷载的激励下，列车系统的动力响应可以通过多自由度列车数值模型模拟。用于评价列车横向风稳定性能的是列车是否发生倾覆，而非出轨，因此，可以将非线性轮轨接触简化成线性接触，或是直接忽略不考虑。此外，已有研究表明，列车模型自由度的多少，对列车横向风稳定性分析结果影响很小。因此，在列车横向风稳定性分析中，可以使用简化的列车模型，并且忽略列车非线性特性。

列车的倾覆通常使用轮对减载率评判，当列车迎风侧轮对最大减载达到限值时，对应的平均风速为临界风速。列车的倾覆临界风速是关于车速、初始风向角的函数，使用传统时域方法可以得到单一的临界风速曲线，即特征风速曲线(Characteristic WindCurve，CWC)。若考虑脉动风、轨道不平顺的随机特性，以及其他参数的不确定性，可以得到不同失效概率(倾覆概率)下的特征风速曲线，即概率特征风速曲线(ProbabilisticCharacteristic Wind Curve，PCWC)。铁路沿线的风环境是不断变化的，某一区域的风速、风向角通常可以采用特定的概率分布描述，如威布尔分布。对整条铁路沿线不同风速、风向角下的列车倾覆概率积分，便可以得到强风作用下列车沿整条线路运行发生倾覆的概率。

发明内容