基于可靠性的高速列車風致安全研究.pdf

1、隨著列車的提速運行，氣流對列車運行的影響越來越明顯，列車空氣動力學問題已經(jīng)成為影響列車運行安全和制約列車提速的關(guān)鍵問題。自然界中強側(cè)風的存在，嚴重惡化了高速列車的空氣動力學性能，直接威脅著列車的行車安全。針對高速列車的強側(cè)風運行安全問題，本文建立考慮隨機風速縱向脈動分量的高速列車非定常氣動載荷的計算方法，研究高速列車的非定常氣動載荷特性。建立高速列車運行安全的可靠性評估及靈敏度分析方法，研究隨機風下高速列車的運行安全特性。建立車輛系統(tǒng)動

2、力學參數(shù)的多目標優(yōu)化和多目標可靠性優(yōu)化計算模型，開展高速列車的抗風優(yōu)化設(shè)計。建立同時考慮隨機風速縱向脈動分量和橫向脈動分量時高速列車非定常氣動載荷的計算方法。
　　基于計算流體力學技術(shù)建立側(cè)風下高速列車的穩(wěn)態(tài)氣動載荷系數(shù)的數(shù)值計算方法，獲得穩(wěn)態(tài)氣動載荷系數(shù)與側(cè)偏角之間的關(guān)系。基于Cooper理論和諧波疊加法計算橫風環(huán)境中隨車移動點的隨機風速，分析車速和平均風速對無量綱功率譜密度和脈動風速的影響。采用準定常法、改進準定常法、權(quán)重函數(shù)

3、法和改進權(quán)重函數(shù)法四種方法分析比較橫向隨機風作用下高速列車的非定常氣動載荷，并推導(dǎo)出非定常氣動載荷的概率分布特性。進一步，基于Cooper理論和諧波疊加法計算側(cè)風環(huán)境中隨車移動點的隨機風速，研究風向角對無量綱功率譜密度和脈動風速的影響，建立任意風向角下高速列車非定常氣動載荷的計算方法，研究側(cè)風下高速列車非定常氣動載荷的統(tǒng)計特性。
　　基于多體系統(tǒng)動力學理論建立高速列車車輛系統(tǒng)動力學模型，將非定常氣動載荷加載到車輛系統(tǒng)動力學模型中計

4、算列車的運行安全指標，進而得到系統(tǒng)的功能函數(shù)。以隨機風速、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)和點頭力矩系數(shù)為基本隨機變量，采用半解析方法和Monte Carlo模擬方法計算隨機風環(huán)境下高速列車運行安全的隨機可靠性和可靠性靈敏度，并最終給出隨機風速作用下高速列車的概率特征風速曲線。概率特征風速曲線可以有效評估高速列車在某一平均風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速曲線（安全域曲線）進行比較，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事件，給出模糊隨機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，研究隨機風作用下高速列車安全運行的模糊隨機可靠性和可靠性靈敏度。當考慮失效準則的模糊性時，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)將會引起失效概率的過低估計。由于系統(tǒng)中隨機變量的分布參數(shù)具有不確定

6、性，建立分布參數(shù)具有隨機不確定性的結(jié)構(gòu)可靠性計算方法，并將其應(yīng)用到高速列車上，研究各個隨機變量的均值和標準差的隨機不確定性對高速列車運行安全可靠性的影響。進一步，同時考慮失效狀態(tài)的模糊性和分布參數(shù)的隨機不確定性，建立其失效概率計算的重要抽樣法和快速近似計算法。
　　為提高高速列車的抗風性能，建立高速列車動力學參數(shù)的多目標優(yōu)化設(shè)計模型，以輪重減載率和輪軸橫向力為優(yōu)化目標，采用多目標遺傳算法NSGA-Ⅱ?qū)Ω咚倭熊噭恿W參數(shù)進行多目標自

7、動尋優(yōu)設(shè)計。通過對高速列車動力學參數(shù)進行多目標優(yōu)化設(shè)計，高速列車在各個車速及風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。同時對優(yōu)化前后高速列車的平穩(wěn)性及舒適性進行分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的列車的橫向振動加速度、橫向平穩(wěn)性指標和舒適性指標均顯著降低，優(yōu)化后的垂向振動加速度和垂向平穩(wěn)性指標雖然有所增加，但其數(shù)值遠小于其限值，即優(yōu)化后的動力學參數(shù)在改善高速列車抗風安全性能的同時不會引起其它動力學性能的惡化。進一步，建立隨機風作用下高

8、速列車動力學參數(shù)的多目標可靠性優(yōu)化設(shè)計模型，以失效概率和輪軸橫向力為優(yōu)化目標，采用多目標遺傳算法NSGA-Ⅱ進行高速列車動力學參數(shù)的多目標自動尋優(yōu)設(shè)計。數(shù)值計算時，車速為300km/h，橫風平均風速為30m/s，經(jīng)過多目標可靠性優(yōu)化計算，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)向隨機風環(huán)境下，同時考慮隨機風速的縱向脈動分量和橫向脈動分量時，高