侧向风作用下风载突变效应对列车运行性能的影响研究

发布时间：2018-12-19 15:05

【摘要】：当列车在侧向风作用下运行时,若分析中的人为因素导致作用在列车上的脉动风速发生突变,或者列车周围的风场环境发生局部突变导致列车气动性能发生较大改变,那么作用在列车上的风荷载也会出现相应的突变现象。针对三种侧向风作用下列车所受风荷载出现突变的现象,进行了风荷载突变对侧向风作用下列车运行性能的影响研究,并进一步探讨了考虑车辆运动的紊流风场的特性。首先,基于希尔伯特—黄变换方法,探讨了采用固定点风谱的传统风场模拟方法来获得作用在车辆上的脉动风速时程时,风场模拟点间距对作用在高速移动车辆上短时脉动风速场时频特性的影响。同时,采用概率统计方法,得到了作用在移动车辆上脉动风速突变的概率密度分布,分析了风场模拟点间距、平均风速和车速对脉动风速突变的影响。此外,利用多体系统动力学分析软件实现了高速列车车辆在气动力荷载作用下的动力学仿真,探讨了人为离散风场导致的作用在移动列车上脉动风荷载突变对车辆动力响应的影响。进一步地,基于主成分分析法,对侧向风作用下移动列车车辆在不同风场模拟点间距下的运行性能进行了综合评价。其次,为了解决传统风场模拟方法中人为离散风场导致的作用在车辆上的脉动风速出现突变的问题,针对我国《公路桥梁抗风设计规范》中规定的纵向脉动风谱,基于泰勒“冻结”紊流假设和各向同性紊流模型,推导了相对于地面静止点处侧向脉动分量的自相关系数函数,纵向脉动分量和侧向脉动分量的互相关系数函数。进一步地,推导了考虑车辆运动的紊流相关系数函数和紊流功率谱密度函数。此外,提出了闭合解表达式来近似代表考虑车辆运动的紊流相干函数。探讨了速度比（车速与平均风速之比）和车辆运动方向与平均风方向之间的夹角对考虑车辆运动的紊流风场特性的影响。再次,在侧向风作用下桥上列车双车交会时,对背风侧列车中间车的侧向力系数和升力系数进行了数值拟合,提出了交会过程中车辆气动力系数时程曲线的近似拟合公式。通过多体动力学仿真计算分析了侧向风作用下桥上双车交会时突变风荷载对列车运行性能的影响。此外,采用简化的双车交会过程气动荷载计算得到了列车车辆的动力响应,并与考虑双车交会过程中气动力系数实际波动的列车车辆响应结果进行对比分析,探讨了双车交会过程气动荷载的简化处理方法对列车车辆动力响应的影响。最后,基于移动车辆模型风洞试验测试得到的列车通过桥塔时车辆气动力系数时程的试验数据,采用多体动力学仿真计算探讨了侧向风作用下桥塔遮风效应中突变风荷载对列车运行性能的影响。考虑车辆运动的紊流风场特性的分析结果表明：随着速度比的增加,考虑车辆运动的紊流功率谱密度函数在高频范围有显著的增加,尤其是在0.2Hz～4.0Hz范围内,移动车辆所“感受”到的风场能量增加明显。这意味着由于车辆运动的影响,移动车辆在其卓越频率范围内“感受”到了更高的风场能量,从而导致车辆受到更大的气动荷载作用。此外,随着速度比的增加,均方根相干函数值会相应增大,这意味着考虑车辆运动后的紊流风场以及作用在车辆上的气动荷载均有更强的空间相关性。同时,随着速度比的增加,考虑车辆运动后的紊流相干函数和功率谱密度函数均会增大,作用在车辆上的气动荷载也会相应增加,从而导致车辆的风致振动响应更为显著。风荷载突变对列车运行性能影响的分析结果表明：突变的风荷载会影响侧向风作用下列车运行的安全性和平稳性。尤其是当风速和（或）列车车速较高时,风荷载突变的不利效应更加不容忽视。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U270.11;U441.7

【参考文献】