基于空间曲线自然方程的高速铁路三维高阶连续线形设计研究
发布时间：2022-08-11 15:48
速度是高铁的生命线,是高铁的核心竞争力所在,随着运行速度的大幅提高,对列车运行稳定性、安全性有着更高的要求。线路引导列车前进,在高速条件下,列车愈加依赖线路的几何线形提供稳定、安全和舒适的运行条件。受制于计算机技术的发展和三维线路线形表达的复杂性,二维设计方法将线路分解为平面、纵断面和横断面,并分别在不同的平面上进行相应的设计,然后通过平、纵线形组合形成三维曲线,这一方式分别考虑平、纵线形在各自断面的影响,没有考虑设计过程中出现的耦合作用,割裂了线形空间的内在联系,缺乏严格的解析模型,随着列车运行速度的提高,二维设计易造成设计错漏。为明确二维设计方式存在的不足,改善线形设计质量以适应高速铁路的发展,本文从高速铁路为空间中的一条三维曲线入手,结合微分几何,以三维曲线的自然方程曲率、挠率为主要参数,对线路的空间线形进行三维化描述、对列车运动模型进行三维化表达、建立三维化的线形控制评价指标、实现空间线形的三维化设计以及设计成果模型的三维化显示,对其中的关键问题进行了深入的研究,主要研究内容和创新成果如下:（1）建立了三维线形表达方程,通过曲率、挠率、曲线起点Frenet标架的空间姿态参数对空...
【文章页数】：174 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1 引言
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 二维线形设计与分析
1.2.2 三维线形设计与分析
1.2.3 三维线路设计与可视化技术
1.3 主要研究内容
1.4 研究方法及章节安排
2 二维线形设计基础理论与分析
2.1 平面曲线描述及设计方法
2.1.1 平面线形设计要素与基本原则
2.1.2 平面线形的微分表达
2.2 纵断面曲线描述及设计方法
2.2.1 纵断面线形设计要素与基本原则
2.2.2 纵断面线形的微分表达
2.3 二维设计的组合线形
2.3.1 设计基本要求与原则
2.3.2 二维设计的不足
2.4 小结
3 三维几何线形设计表达与分析
3.1 曲线的数学描述
3.2 空间曲线几何特性
3.2.1 Frenet标架
3.2.2 曲率
3.2.3 挠率
3.2.4 线路线形曲线表达
3.3 三维线形参数与列车运动的关系
3.3.1 三维线形参数与质点运动特性
3.3.2 列车车体运动坐标系
3.3.3 三维列车运动状态模型
3.4 线形参数对曲线走向及列车运动的影响
3.4.1 曲线的密切平面
3.4.2 密切平面恒定线形分析
3.4.3 密切平面变化线形分析
3.5 小结
4 三维线形设计指标及评价分析
4.1 基于舒适性的三维线形设计约束条件
4.1.1 舒适性条件评价标准
4.1.2 曲率取值
4.1.3 曲率变化率与挠率取值
4.2 三维线形几何连续性评价
4.2.1 几何连续性等级区分
4.2.2 二维曲线的几何连续性评价
4.2.3 平竖重合路段高阶连续曲线设计
4.3 二维设计线形的三维评价分析
4.4 小结
5 基于曲线自然方程的三维线形设计
5.1 三维线形设计框架
5.2 三维曲线设计方法的选择
5.2.1 三维曲线设计方式
5.2.2 设计方式的对比
5.3 考虑非几何因素的三维线形设计
5.4 空间曲线特征表达与分析
5.4.1 G~0曲线Frenet标架计算
5.4.2 广义密切平面与曲率特征表达
5.4.3 曲线三维特征分析
5.4.4 G~0曲线β-l与f_n-l图的建立
5.5 三维线形的分组与拟合
5.5.1 线形分组的动态规划算法
5.5.2 带有惩罚函数的动态规划算法流程
5.5.3 三维曲线拟合
5.6 基于一阶逻辑推理的线形优化
5.6.1 一阶逻辑语法
5.6.2 线形知识工程与逻辑推理
5.7 三维线形设计实例
5.8 小结
6 基于CPU-GPU协同的三维线路模型快速建模
6.1 CPU-GPU三维模型建模流程对比与分析
6.2 CPU线路模型数据处理
6.2.1 线路中线的离散化
6.2.2 边界条件的确定
6.3 GPU三维建模的实现
6.3.1 几何着色器建模
6.3.2 基于GPU视点光线的真实感渲染
6.4 实验对比分析
6.5 小结
7 结论与展望
7.1 研究结论
7.2 论文创新点
7.3 展望
参考文献
作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
学位论文数据集
【参考文献】：
期刊论文
[1]关于舒适度的高速铁路线路设计及其优化分析[J]. 陈司宇. 工程建设与设计. 2019(09)
[2]层次八叉的三维模型并行碰撞检测[J]. 马晓萌,孙红岩,孙晓鹏. 计算机工程与设计. 2019(04)
[3]高速铁路曲线地段允许欠超高取值研究[J]. 胡华锋. 中国铁路. 2019(02)
[4]运营高铁线路平纵断面线形评估与优化研究[J]. 石德斌. 铁道工程学报. 2019(02)
[5]车辆通过曲线时提高乘坐舒适度的方法研究[J]. 石栗,航太郎,向云. 国外铁道车辆. 2019(01)
[6]高速铁路三维线形参数及其对列车运动的影响[J]. 魏庆朝,李鸣,吕希奎,李敏,时瑾. 铁道工程学报. 2019(01)
[7]高速铁路平竖重合段三维高阶连续曲线线形设计[J]. 李鸣,魏庆朝,潘姿华,臧传臻,秦晓春,时瑾. 交通运输工程学报. 2018(06)
[8]基于kd-树的快速邻域分类方法[J]. 张艳芹,杨习贝,陈向坚. 江苏科技大学学报(自然科学版). 2018(06)
[9]市域铁路线路平纵断面标准研究及应用[J]. 白宝英. 中国铁路. 2018(08)
[10]基于变权理论的铁路选线方案评价模型[J]. 罗圆,朱颖,张小强,姚令侃. 铁道工程学报. 2018(08)
博士论文
[1]多层次空间语义约束的高速铁路场景自动建模方法[D]. 张恒.西南交通大学 2016
[2]近似推理—多项式代数动态逻辑研究[D]. 付军.北京交通大学 2016
[3]基于体感交互的公路真三维设计系统关键技术研究[D]. 龙立敦.华南理工大学 2016
[4]面向实体选线设计的铁路线路BIM与地理环境建模方法与应用[D]. 聂良涛.西南交通大学 2016
[5]一阶逻辑系统的计量化研究[D]. 秦晓燕.西南交通大学 2015
[6]空间曲线不变量约束下的公路几何线形三维设计理论与方法[D]. 葛婷.华南理工大学 2015
[7]高速列车舒适度评价机理及其应用研究[D]. 王海涌.兰州交通大学 2014
[8]高速铁路线路参数分析及其行车动力特性研究[D]. 李向国.西南交通大学 2011
[9]高速铁路线路参数对车线动力响应影响分析及参数优化与匹配研究[D]. 龙许友.北京交通大学 2008
[10]现代路线CAD系统关键技术研究与应用[D]. 蒲浩.中南大学 2002
硕士论文
[1]基于动力学分析的中速磁悬浮平面曲线参数研究[D]. 郑亚龙.西南交通大学 2018
[2]高速铁路线路参数与线路方案动力分析[D]. 郑贺民.石家庄铁道大学 2017
[3]高速铁路线路空间线形的轮轨动力学评价指标研究[D]. 吕凯凯.西南交通大学 2016
[4]基于GIS的城市轨道交通三维空间选线系统研究[D]. 何彬.石家庄铁道大学 2015
[5]客运专线车站站外曲线参数研究[D]. 田川.北京交通大学 2011
[6]基于空间数据的高速铁路三维建模方法[D]. 王雪霏.北京交通大学 2011
本文编号：3674940
【文章页数】：174 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1 引言
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 二维线形设计与分析
1.2.2 三维线形设计与分析
1.2.3 三维线路设计与可视化技术
1.3 主要研究内容
1.4 研究方法及章节安排
2 二维线形设计基础理论与分析
2.1 平面曲线描述及设计方法
2.1.1 平面线形设计要素与基本原则
2.1.2 平面线形的微分表达
2.2 纵断面曲线描述及设计方法
2.2.1 纵断面线形设计要素与基本原则
2.2.2 纵断面线形的微分表达
2.3 二维设计的组合线形
2.3.1 设计基本要求与原则
2.3.2 二维设计的不足
2.4 小结
3 三维几何线形设计表达与分析
3.1 曲线的数学描述
3.2 空间曲线几何特性
3.2.1 Frenet标架
3.2.2 曲率
3.2.3 挠率
3.2.4 线路线形曲线表达
3.3 三维线形参数与列车运动的关系
3.3.1 三维线形参数与质点运动特性
3.3.2 列车车体运动坐标系
3.3.3 三维列车运动状态模型
3.4 线形参数对曲线走向及列车运动的影响
3.4.1 曲线的密切平面
3.4.2 密切平面恒定线形分析
3.4.3 密切平面变化线形分析
3.5 小结
4 三维线形设计指标及评价分析
4.1 基于舒适性的三维线形设计约束条件
4.1.1 舒适性条件评价标准
4.1.2 曲率取值
4.1.3 曲率变化率与挠率取值
4.2 三维线形几何连续性评价
4.2.1 几何连续性等级区分
4.2.2 二维曲线的几何连续性评价
4.2.3 平竖重合路段高阶连续曲线设计
4.3 二维设计线形的三维评价分析
4.4 小结
5 基于曲线自然方程的三维线形设计
5.1 三维线形设计框架
5.2 三维曲线设计方法的选择
5.2.1 三维曲线设计方式
5.2.2 设计方式的对比
5.3 考虑非几何因素的三维线形设计
5.4 空间曲线特征表达与分析
5.4.1 G~0曲线Frenet标架计算
5.4.2 广义密切平面与曲率特征表达
5.4.3 曲线三维特征分析
5.4.4 G~0曲线β-l与f_n-l图的建立
5.5 三维线形的分组与拟合
5.5.1 线形分组的动态规划算法
5.5.2 带有惩罚函数的动态规划算法流程
5.5.3 三维曲线拟合
5.6 基于一阶逻辑推理的线形优化
5.6.1 一阶逻辑语法
5.6.2 线形知识工程与逻辑推理
5.7 三维线形设计实例
5.8 小结
6 基于CPU-GPU协同的三维线路模型快速建模
6.1 CPU-GPU三维模型建模流程对比与分析
6.2 CPU线路模型数据处理
6.2.1 线路中线的离散化
6.2.2 边界条件的确定
6.3 GPU三维建模的实现
6.3.1 几何着色器建模
6.3.2 基于GPU视点光线的真实感渲染
6.4 实验对比分析
6.5 小结
7 结论与展望
7.1 研究结论
7.2 论文创新点
7.3 展望
参考文献
作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
学位论文数据集
【参考文献】：
期刊论文
[1]关于舒适度的高速铁路线路设计及其优化分析[J]. 陈司宇. 工程建设与设计. 2019(09)
[2]层次八叉的三维模型并行碰撞检测[J]. 马晓萌,孙红岩,孙晓鹏. 计算机工程与设计. 2019(04)
[3]高速铁路曲线地段允许欠超高取值研究[J]. 胡华锋. 中国铁路. 2019(02)
[4]运营高铁线路平纵断面线形评估与优化研究[J]. 石德斌. 铁道工程学报. 2019(02)
[5]车辆通过曲线时提高乘坐舒适度的方法研究[J]. 石栗,航太郎,向云. 国外铁道车辆. 2019(01)
[6]高速铁路三维线形参数及其对列车运动的影响[J]. 魏庆朝,李鸣,吕希奎,李敏,时瑾. 铁道工程学报. 2019(01)
[7]高速铁路平竖重合段三维高阶连续曲线线形设计[J]. 李鸣,魏庆朝,潘姿华,臧传臻,秦晓春,时瑾. 交通运输工程学报. 2018(06)
[8]基于kd-树的快速邻域分类方法[J]. 张艳芹,杨习贝,陈向坚. 江苏科技大学学报(自然科学版). 2018(06)
[9]市域铁路线路平纵断面标准研究及应用[J]. 白宝英. 中国铁路. 2018(08)
[10]基于变权理论的铁路选线方案评价模型[J]. 罗圆,朱颖,张小强,姚令侃. 铁道工程学报. 2018(08)
博士论文
[1]多层次空间语义约束的高速铁路场景自动建模方法[D]. 张恒.西南交通大学 2016
[2]近似推理—多项式代数动态逻辑研究[D]. 付军.北京交通大学 2016
[3]基于体感交互的公路真三维设计系统关键技术研究[D]. 龙立敦.华南理工大学 2016
[4]面向实体选线设计的铁路线路BIM与地理环境建模方法与应用[D]. 聂良涛.西南交通大学 2016
[5]一阶逻辑系统的计量化研究[D]. 秦晓燕.西南交通大学 2015
[6]空间曲线不变量约束下的公路几何线形三维设计理论与方法[D]. 葛婷.华南理工大学 2015
[7]高速列车舒适度评价机理及其应用研究[D]. 王海涌.兰州交通大学 2014
[8]高速铁路线路参数分析及其行车动力特性研究[D]. 李向国.西南交通大学 2011
[9]高速铁路线路参数对车线动力响应影响分析及参数优化与匹配研究[D]. 龙许友.北京交通大学 2008
[10]现代路线CAD系统关键技术研究与应用[D]. 蒲浩.中南大学 2002
硕士论文
[1]基于动力学分析的中速磁悬浮平面曲线参数研究[D]. 郑亚龙.西南交通大学 2018
[2]高速铁路线路参数与线路方案动力分析[D]. 郑贺民.石家庄铁道大学 2017
[3]高速铁路线路空间线形的轮轨动力学评价指标研究[D]. 吕凯凯.西南交通大学 2016
[4]基于GIS的城市轨道交通三维空间选线系统研究[D]. 何彬.石家庄铁道大学 2015
[5]客运专线车站站外曲线参数研究[D]. 田川.北京交通大学 2011
[6]基于空间数据的高速铁路三维建模方法[D]. 王雪霏.北京交通大学 2011
本文编号：3674940
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