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原文传递电气化铁路接触网体系环境荷载下动力可靠性研究

论文题名：	电气化铁路接触网体系环境荷载下动力可靠性研究
关键词：	接触网;环境荷载;柔性结构;电气化铁路;动力可靠性
摘要：	接触网体系担负着把从牵引变电所获得的电能直接供给电力机车使用的重要任务，它的质量和工作状态将直接影响着电气化铁道的运输能力。因此要求接触网无论在任何气象条件下，都能处于良好的工作状态，满足电力机车安全、高速运行的要求。接触网是一种特殊形式的空间架空线结构，具有高耸、跨度大，悬挂结构与支持结构在不同量级的动力特性下的偶联作用等特征。接触网结构在风、沙以及悬挂结构覆冰等随机环境荷载作用下的动力响应复杂，敏感性强，具有高度的不确定性，是近几年接触网故障频发的主要原因。又因接触网结构线长点多无备用，一旦出现故障将导致列车停驶，严重影响着接触网的安全可靠性，因此其安全问题已经成为兰新线铁路电气化改造的难点。由于南疆线、兰新线电气化改造需要，对环境荷载作用下的接触网结构体系动力响应、稳定性及可靠性等展开研究具有重要的理论意义及工程实用价值。　　本文以兰新线强风地区某段接触网为研究对象，针对风、沙等环境荷载的随机不确定性及接触网结构具有的高、大、细、长等柔性结构的特点，从概率和时域角度出发，在广泛借鉴国内外同行研究成果的基础上，对接触网结构环境致振、抗风动力稳定性及抗风动力可靠性等相关问题进行了研究。研究主要内容包括以下几方面：　　1.分析了新疆强风地区大风的形成原因及大风统计规律，基于现有文献资料获得的数据分别采用最小误差逼近方法和矩法获得了兰新线强风地区平均风速和年最大平均风速的概率分布；根据新疆强风地区的环境特点和接触网结构体系的特征，在考虑风荷载梯度剖面分布、湍流脉动相关性、湍流强度和功率谱密度的基础上，采用谐波叠加法建立了基于davenport风速谱的脉动风场数值模拟适合接触网结构的风场模拟简化方法，并通过该模拟方法计算了接触网结构不同特征点的风速时程，结果表明模拟的风速时程的功率谱与目标谱非常吻合，该模拟方法生成的脉动风场可以表征随机风场在时域上的随机特性；为了描述风沙的基本特性及其对接触网结构的影响，结合风沙的自然属性、荷载形成规律和接触网体系的结构特征采用CFD计算流体力学风沙二相流数学模型分析了风沙荷载对接触网结构的影响。　　2.考虑了接触网支持结构与悬挂结构间的耦合作用、接触线和承力索的垂度效应和几何非线性及支持结构的材料非线性，借助有限元软件ansys，建立了基于二维模型的三维接触网体系精细化有限元模型。从风荷载单独作用到风沙共同作用等不同角度分析了接触网结构体系的动力响应规律，结果表明：接触网结构的固有频率与独立进行支持结构和悬挂结构分析的固有频率相比，支持结构和悬挂结构的固有频率均略有减小，支持结构与悬挂结构的耦合作用十分显著，仅把承力索、接触线等受到的荷载等效为静力荷载加在支持结构上，对于接触网结构的设计是不合理的；随着沙子体积比的增加，风沙荷载对接触网结结构特征点响应量的影响逐渐加大，表明，沙子荷载对特征点响应具有明显的激励贡献。　　3.针对接触网的结构特点，基于特征响应点的风振响应时程，将动态增量法引入到Budiansky-Roth稳定性判定准则，提出了适合接触网结构的抗风动力稳定性判定准则，并基于该准则分析比较了不同结构参数对接触网动力稳定性的影响，结果表明：通过增加张力、减小跨距、降低接触线高度和适当增加吊线数能有效改善接触网结构的抗风稳定性。　　4.在系统分析接触网结构在环境荷载作用下疲劳损伤发生、发展的原因和破坏机理的前提下，基于有限元应力响应时程、接触网结构环境荷载效应的概率分布特性和疲劳损伤理论，建立了疲劳可靠度计算方法，并以接触线为例，分析了结构因素和环境因素对接触线疲劳可靠性的影响程度；实例分析表明：接触线的自重和冰荷载及沙荷载对接触线的疲劳可靠度影响较大，不容忽视。　　5.综合考虑了风速的概率分布、风沙等环境荷载效应的概率分布特性，应用首次超越理论分别从适用性和强度破坏两个方面建立了接触网结构的时域动力可靠性计算数学模型，该方法将有限元计算、RBF神经网络和蒙特卡罗模拟方法有机结合，不受随机变量分布形式和极限状态方程非线性的限制并且可以获得较高的计算精度。
作者：	曹树森
专业：	驱动技术与智能系统
导师：	柯坚
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文