考虑扣件温频变的车轨桥垂向耦合系统振动能量研究

通过对扣件进行定频变温试验,结合温频等效原理与高阶分数导数FVMP模型建立扣件的温频变动态力学模型,并在车-轨-桥耦合系统中采用新建模型模拟扣件,基于功率流法系统地分析与评价扣件温频变动态力学性能对车轨桥耦合系统振动能量分布与传递的影响.结果 表明:考虑扣件动参数频变会使中高频段内的轨道结构振动能量增大,对低频段的轨道...     

基于数据驱动加速的随机车流-桥梁耦合振动分析方法

面向随机车流的公路桥梁安全评估往往需要大量的车-桥耦合振动分析,然而,目前相关既有模拟方法运算效率有限,致使完成评估所需的分析耗时过久,无法及时提供评估结果。为此,该文以传统车-桥耦合振动分析理论为基础,提出了一种基于双向长短期记忆(Bi-directional Long Short-Term Memory, BiLSTM)算法加速的随机车流-桥梁耦合振动分析方法。该方法可以从初期桥梁响应时程快速映射出对应的后序响应,相较传统方法压缩了部分迭代求解周期,从而提高整体计算效率。随后,选取四座常见的桥梁作为分析对象,同时针对性地提出加权平均绝对百分比误差(WMAPE)、加权决定系数(WR2)等改进评价指标,并以传统迭代法为参照,分析了该方法的精度、鲁棒性以及计算效率。分析结果显示：该文提出的方法有较好的鲁棒性,在不同随机车流密度、不同路面粗糙度等工况下对桥梁的弯矩、剪力、挠度等响应都具有较高的分析精度;与传统方法相比,该方法可以在WMAPE小于3.2%、峰值绝对误差(PAE)小于2.9%以及WR²大于0.98的情况下,将随机车流下车-桥耦合振动响应的计算效率平均提高3...     

列车—曲线梁桥耦合振动的车辆模型研究

本文首先根据曲线梁的力学微分方程，说明了曲线梁的弯扭耦合特性。针对列车通过曲线梁的特殊情况，研究了可以同时反映竖向，横向，弯扭耦合动力学特性的车辆模型，此外本文还给出了车－桥耦合振动中的位移，力的耦合关系。     

考虑材料性能不确定性的声振强耦合系统稳健拓扑优化

针对外声场与结构强耦合问题,亟待开展不确定性优化的发展需求,提出了一种考虑材料性能不确定性的稳健拓扑优化设计方法。采用随机场模型描述材料弹性模量的不确定性,用级数最优线性估值方法将其离散成不相关的随机变量;进而用混沌多项式展开(polynomial chaos expansion, PCE)方法结合有限元-边界元耦合方法进行随机响应分析。通过材料属性的有理近似模型描述双材料的分布,以辐射声功率级的均值和标准差的加权和作为稳健拓扑优化的目标函数,随机响应的灵敏度同样通过PCE方法获得,最后通过移动渐近线优化算法对优化问题进行求解。数值算例表明,该方法相较于确定性拓扑优化可以获得对材料弹性模量不确定性更加不敏感的设计,这是不确定性优化方法在含外声场的声振强耦合问题上的一个新的拓展研究。     

重载列车过桥时桥梁的垂向动力分析

本文建立了具有6个自由度重载列车的车辆振动分析模型和重载铁路桥梁的梁段单元模型,通过轮轨接触处的位移协调条件与轮轨相互作用力的平衡关系建立了重载车辆-桥梁系统耦合运动方程,采用迭代求解,编制了重载铁路车-桥耦合振动分析程序。对影响重载铁路简支梁桥的跨中挠度的各种因素进行了分析,分析结果表明：列车的轴重、速度、加速度、减速度及轨道不平顺对重载铁路桥梁的跨中挠度和竖向加速度有着重要影响。     

列车-桥梁-汽车耦合振动仿真分析

用多刚体系统模拟列车、汽车车辆,用空间梁单元、杆单元模拟桥梁。采用密贴假定及蠕滑理论处理轮轨接触关系,设汽车轮胎与公路桥面为点接触且不分离建立列车-桥梁-汽车耦合振动分析模型,编制仿真分析软件。以某公路、铁路两用桥为例进行列车-桥梁-汽车耦合振动分析。结果表明,列车与汽车同时上桥且随汽车数量增多,列车机车及车辆的竖向加速度、脱轨系数、轮重减载率最大值明显增大,汽车对列车运行安全性具有不利影响。     

考虑轮轨非线性接触的车辆-轨道-桥梁垂向耦合系统随机振动分析

基于列车-轨道-桥梁耦合动力学理论,考虑轮轨接触非线性,采用广义概率密度演化理论建立了列车-轨道-桥梁垂向耦合系统非线性随机振动方程。采用数论选点法结合谱表示-随机函数法生成轨道随机不平顺样本,实现了用两个随机变量和少量样本较精确地反映轨道不平顺功率谱的随机特性。以高速列车-简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道为例,从概率及可靠度角度,考虑非线性轮轨关系中跳轨现象以及轨道随机平顺影响,对比分析了线性与非线性轮轨对车辆运行安全性的影响;计算了不同轨道谱、车辆运行速度下轮重减载率概率密度演化规律及其对车辆运行安全性影响。结果表明,建议的方法可通过较少的随机变量和样本计算得到车辆-轨道-桥梁耦合系统非线性随机动力响应及其概率分布,可为车辆运行安全性评价提供更好的指导。     

考虑不确定性的多学科设计优化方法研究综述

目的研究多学科不确定性设计优化中多学科设计优化方法、不确定性建模与传递、不确定性设计优化的相关理论。方法通过研究并分析国内外相关文献,总结归纳考虑不确定性的多学科设计优化中的耦合系统解耦方法、参数和代理模型不确定性的建模方法,以及高效的不确定性传递和设计优化方法。结论系统探讨了在面对复杂多变的外界环境时,多学科设计优化对不确定性量化与传递的需求,提出多学科设计优化不仅要考虑确定性的系统,而且需要考虑由于外界环境变化导致的系统响应的不确定性。针对现有的多学科不确定性设计优化方法的理论研究,提出提高计算效率的关键在于将传统的三层嵌套循环计算框架解耦成单层循环。研究结果表明,考虑不确定性的多学科设计优化将成为复杂多学科系统设计的有力支撑,能显著提高系统的可靠性和稳健性,提高使用寿命,同时能够加快产品的更新换代设计。     

基于面接触的车桥耦合振动研究

现有分析车-桥耦合振动的研究中都假设移动车辆与路面的接触关系为点接触。事实上,轮胎与路面是通过面接触的。通过建立新的三维车轮模型,分析了面接触对车-桥耦合振动的影响,将车轮与路面的接触面模拟为长方形,通过接触面间的位移协调条件和力相互作用建立车-桥耦合振动方程。对车速、车轮刚度与阻尼、接触面尺寸大小、车辆数目等进行参数分析,研究了接触面对车-桥耦合振动的影响。数值计算与试验结果验证表明:所提出的模型能更准确合理的研究车桥耦合振动。     

基于灰箱模型的垂向车-桥系统响应极值分布研究

针对垂向车-桥系统时域计算效率不高的问题,结合灰箱模型,提出了一种垂向车-桥系统动力响应计算的代理模型方法.通过对车桥系统进行分析,得到输入和输出样本进行灰箱模型参数训练,使车体加速度响应误差最小化,得到代理模型.通过蒙特卡罗模拟,验证了该方法的准确性和效率.结果 表明,相比蒙特卡罗模拟方法,该方法计算效率明显提高,计...     

基于刚柔耦合模型的干摩擦制动系统振动分析

该文针对制动摩擦颤振现象,建立了摩擦制动装置的刚柔耦合动力学模型,应用伽辽金离散和数值计算,揭示了摩擦块的盘面振动与摩擦盘面外振动间的耦合关系(即内共振条件)对系统振动的影响,并分析摩擦块的颤振特点。分析可知,转速高于临界转速时,由于盘的弹性振动,摩擦块在盘内作近简谐周期运动,转速低于临界转速后,系统产生摩擦-滞滑颤振。运动耦合越强,滞滑-颤振出现的越早,引起的振动也越强烈和复杂。同时,由于盘的弹性振动对摩擦块产生强迫激励,会在一定转速范围内产生共振。     

扣件胶垫刚度频变的车/轨耦合系统随机振动虚拟辛分析

运用无穷周期子结构的辛数学方法与虚拟激励法,建立了车辆-轨道垂向耦合随机振动虚拟辛分析模型,并用以探讨扣件胶垫频变刚度对轮轨耦合系统随机振动的影响。研究结果表明：扣件胶垫频变刚度对车体垂向随机振动的影响可忽略不计,但却会改变转向架中高频的垂向随机振动幅值,同时还会显著提高轮对与钢轨的垂向随机振动最大功率峰与其第一主频;轮对垂向随机振动最大功率峰与其第一主频随着扣件胶垫刚度频变幅度或低频初始刚度的增大分别呈波浪式渐增与阶梯式上升的变化趋势;在铁路常用扣件胶垫刚度的变化范围内,轮对垂向随机振动最高功率峰的最大增幅是17.5倍,并且其第一主频的最大增量亦可高达40 Hz。因此,为精确预测车辆转向架、车轮及轮下系统的随机振动频域响应,需综合考虑扣件胶垫的低频初始刚度及其刚度频变幅度。     

磁浮车辆-桥梁耦合系统随机振动分析的时域显式方法研究

轨道不平顺所引起的磁浮车辆-桥梁耦合系统随机振动问题是磁浮列车行驶过程中需要关注的重点问题之一,传统的随机振动方法在解决这类问题时存在工作量大、计算效率低等问题。分别从磁浮车辆系统和桥梁系统出发,建立磁浮车辆系统响应和桥梁系统响应关于车桥相互作用电磁力的时域显式表达式;利用车轨间的电磁力方程及几何相容条件,构建电磁力关于轨道不平顺的时域显式表达式;进一步推导得到轨道不平顺作用下磁浮车辆系统和桥梁系统关键动力响应显式表达式。在此基础上,利用统计矩运算法则,直接获得磁浮车辆系统和桥梁系统关键响应的演变统计矩;也可以利用轨道不平顺的数字生成技术,结合随机模拟法,获得车桥耦合系统关键响应的统计信息。在上述过程中,由于车桥耦合系统关键动力响应的显式表达式已先行构建完毕,因此大幅提升了随机振动分析的计算效率。以二自由度磁浮车辆与桥梁耦合模型为例,阐明了方法列式过程。磁浮列车过多跨简支梁桥的数值算例结果表明,时域显式法具有理想的计算精度和效率。     

车-线-隧垂向环境振动预测辛模型及其应用

结合随机振动虚拟激励法、无穷周期链式结构的辛数学方法及有限元谐响应分析法,提出了考虑扣件胶垫刚度频变特性的车-线-隧垂向环境振动预测的辛模型。以南京地铁1号线为研究对象,利用等效线性动黏弹性模型之一的Martin-Davidenkov模型来描述土体加卸载对应的应力-应变非线性关系,将地表土层垂向振动加速度级的理论计算结果与实测数据进行对比,二者在整个频域内的吻合度较高,在中心频率为50 Hz位置处两者的最大峰值结果仅相差0.6 dB,表明实测线路上的轨道不平顺水平和计算条件较为接近,验证了车-线-隧垂向环境振动预测的辛模型及其参数选取方法合理,在频域范围内有较好的预测精度及效率。     

车桥耦合系统非平稳随机振动分析的虚拟激励-精细积分法

提出了考虑轨道高低不平顺时进行车桥耦合系统垂向非平稳随机振动分析的新方法.车辆采用具有两系悬挂10个自由度的四轮模型,桥梁采用Bernoulli-Euler梁单元有限元模型.将轨道高低不平顺假设为均匀调制演变随机过程,并考虑各车轮所受轨道随机激励之间的相位差,采用虚拟激励法(PEM)将轨道不平度精确地转化为一系列垂向简谐不平度的叠加,大大简化了运动方程的求解.在此基础上采用能够更真实地模拟车辆作用力在时间域和空间域上连续变化的精细积分法(PIM)来进行数值积分计算.数值算例中,将该方法与Monte Carlo方法进行了比较,并分析了轨道不平顺对于系统随机响应的影响.数值计算表明:发展的虚拟激励-精细积分法(PEM-PIM)能够高效精确地进行车桥耦合系统的垂向非平稳随机振动分析;轨道不平度级别对系统随机振动影响显著,且其一阶、二阶导数项对系统加速度随机响应的影响应予以考虑.     

具有不确定参数车轨耦合系统 随机振动灵敏度分析

对于轨道不平顺作用下具有不确定结构参数的车轨耦合系统随机振动灵敏度问题进行了研究。车辆采用多刚体动力学模型,弹性轨道采用无穷周期子结构进行模拟。在哈密顿对偶体系下建立了车轨耦合系统混合物理坐标及辛对偶坐标的动力学方程,应用解析手段推导出其相对系统不确定参数的灵敏度控制方程。进一步,基于虚拟激励法和辛方法建立了车轨耦合系统随机振动响应灵敏度分析方法。数值算例结果表明：所提出的灵敏度分析方法具有较高的计算精度,并保留了虚拟激励法高效的特性。该文所开展的工作对于车辆系统动力学参数设计与优化具有很好的参考价值。     

扣件胶垫刚度的幅频变对轮轨耦合系统随机频响特征的影响

以热塑性聚氨酯弹性体（TPEE）的扣件胶垫为研究对象,首先利用万能试验机测得其荷载-位移非线性曲线。然后,借助非线性静力分析的有限元模型,计算车辆静载与弹条扣压共同作用下该类扣件胶垫的位移幅值及其对应的静刚度。最后,运用车辆-轨道垂向耦合随机振动分析模型,探讨聚氨酯胶垫的常量刚度、频变刚度与幅频变刚度对车辆-轨道耦合系统随机振动频响特征的影响规律。研究结果表明：聚氨酯胶垫的静刚度具有显著的非线性特征,而且在20 kN扣压力与80 kN静轮载共同作用下聚氨酯胶垫的静刚度在19.1 kN/mm~37.9 kN/mm范围内变化,其均值与规范中假设的线性常量静刚度26.7 kN/mm相近;另外,与聚氨酯胶垫的幅频变刚度相比,它的常量刚度会严重低估轮轨系统65 Hz~150 Hz的频域响应。因此,如果车辆-轨道系统中有刚度非线性较强的高分子材料,就必须综合考虑这些材料刚度的幅变与频变特征,否则将难以准确预测轮轨系统及其周边环境振动的频域响应。     

基于塔架-叶片耦合模型风力机全机风振疲劳分析

以某5 MW特大型风力机为例,提出了风力机全机结构风振疲劳的时域分析方法。采用谐波合成法和改进的叶素-动量理论产生了风力机运营状态的气动载荷,对风力机塔架-叶片耦合结构进行了非线性风振时域分析。基于时程结果并结合线性累积损伤理论对风力机全机关键部位的风振疲劳寿命进行了预测,该方法充分考虑了风剪切、塔影、尾流影响、塔架-叶片之间的气动和模态干扰作用、叶片旋转效应的影响。算例分析表明,该文预测方法可有效估算水平轴风力机全机结构的疲劳损伤问题,相关研究结论可为超大型风力机全机结构的疲劳寿命预测提供科学依据。     

基于UKF的双轴耦联Bouc-Wen模型识别与应用

Bouc-Wen模型常用于非线性滞回模拟,具有滞回曲线连续可微、可考虑退化、拈缩等非线性效应的优点。该文在双轴Bouc-Wen模型的基础上,提出了适用于单向偏心结构的平扭耦联Bouc-Wen模型,导出状态方程并利用无色Kalman滤波器(UKF)对其进行参数辨识。结合单向偏心结构的等效二自由度模型(EDDOF),利用UKF对其非线性反应信号进行系统辨识,进行了应用研究。结果表明：UKF可对双轴耦联系统的状态及参数进行快速高效识别,且精度可靠,通过单向偏心结构地震反应分析和辨识验证了其适用性和可靠性。该模型亦可表征广义系统状态,拓展应用于结构监测控制、可靠性和随机反应分析等相关研究领域的应用。     

重大工程结构随机振动分析中基于功能原理的团集等效体系的研究

本文采用以功能（双因素）代替通常随机振动计算中以力或质量（单因素）为原则进行质量、刚度和功率谱密度的团集等效，获得精度大大提高的效果，在重大工程结构的复杂体系实例计算中获得满意应用。