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原文传递基于可靠性的高速列车风致安全研究

论文题名：	基于可靠性的高速列车风致安全研究
关键词：	高速列车;空气动力学;非定常气动载荷;随机风环境;可靠性;抗风设计
摘要：	随着列车的提速运行，气流对列车运行的影响越来越明显，列车空气动力学问题已经成为影响列车运行安全和制约列车提速的关键问题。自然界中强侧风的存在，严重恶化了高速列车的空气动力学性能，直接威胁着列车的行车安全。针对高速列车的强侧风运行安全问题，本文建立考虑随机风速纵向脉动分量的高速列车非定常气动载荷的计算方法，研究高速列车的非定常气动载荷特性。建立高速列车运行安全的可靠性评估及灵敏度分析方法，研究随机风下高速列车的运行安全特性。建立车辆系统动力学参数的多目标优化和多目标可靠性优化计算模型，开展高速列车的抗风优化设计。建立同时考虑随机风速纵向脉动分量和横向脉动分量时高速列车非定常气动载荷的计算方法。　　基于计算流体力学技术建立侧风下高速列车的稳态气动载荷系数的数值计算方法，获得稳态气动载荷系数与侧偏角之间的关系。基于Cooper理论和谐波叠加法计算横风环境中随车移动点的随机风速，分析车速和平均风速对无量纲功率谱密度和脉动风速的影响。采用准定常法、改进准定常法、权重函数法和改进权重函数法四种方法分析比较横向随机风作用下高速列车的非定常气动载荷，并推导出非定常气动载荷的概率分布特性。进一步，基于Cooper理论和谐波叠加法计算侧风环境中随车移动点的随机风速，研究风向角对无量纲功率谱密度和脉动风速的影响，建立任意风向角下高速列车非定常气动载荷的计算方法，研究侧风下高速列车非定常气动载荷的统计特性。　　基于多体系统动力学理论建立高速列车车辆系统动力学模型，将非定常气动载荷加载到车辆系统动力学模型中计算列车的运行安全指标，进而得到系统的功能函数。以随机风速、侧力系数、升力系数、侧滚力矩系数、摇头力矩系数和点头力矩系数为基本随机变量，采用半解析方法和Monte Carlo模拟方法计算随机风环境下高速列车运行安全的随机可靠性和可靠性灵敏度，并最终给出随机风速作用下高速列车的概率特征风速曲线。概率特征风速曲线可以有效评估高速列车在某一平均风速和车速下脱轨的概率。通过与传统确定性方法得到的特征风速曲线（安全域曲线）进行比较，发现传统确定性方法得到的安全域曲线偏于保守，基于可靠性的方法可得到更合理的安全域曲线。　　针对结构极限状态具有模糊性的情况，将结构的失效考虑为模糊随机事件，给出模糊随机事件的可靠性和可靠性灵敏度分析的重要抽样法，并将其应用到高速列车上，研究随机风作用下高速列车安全运行的模糊随机可靠性和可靠性灵敏度。当考虑失效准则的模糊性时，系统的失效概率增大，将模糊的极限状态考虑为确定的极限状态将会引起失效概率的过低估计。由于系统中随机变量的分布参数具有不确定性，建立分布参数具有随机不确定性的结构可靠性计算方法，并将其应用到高速列车上，研究各个随机变量的均值和标准差的随机不确定性对高速列车运行安全可靠性的影响。进一步，同时考虑失效状态的模糊性和分布参数的随机不确定性，建立其失效概率计算的重要抽样法和快速近似计算法。　　为提高高速列车的抗风性能，建立高速列车动力学参数的多目标优化设计模型，以轮重减载率和轮轴横向力为优化目标，采用多目标遗传算法NSGA-Ⅱ对高速列车动力学参数进行多目标自动寻优设计。通过对高速列车动力学参数进行多目标优化设计，高速列车在各个车速及风速下的轮重减载率和轮轴横向力的数值均比优化前的数值显著降低。同时对优化前后高速列车的平稳性及舒适性进行分析，发现优化后的列车的横向振动加速度、横向平稳性指标和舒适性指标均显著降低，优化后的垂向振动加速度和垂向平稳性指标虽然有所增加，但其数值远小于其限值，即优化后的动力学参数在改善高速列车抗风安全性能的同时不会引起其它动力学性能的恶化。进一步，建立随机风作用下高速列车动力学参数的多目标可靠性优化设计模型，以失效概率和轮轴横向力为优化目标，采用多目标遗传算法NSGA-Ⅱ进行高速列车动力学参数的多目标自动寻优设计。数值计算时，车速为300km/h，横风平均风速为30m/s，经过多目标可靠性优化计算，高速列车的失效概率由原始的0.4884降低为0.1406，轮轴横向力由原始的45.13kN降低为43.01kN。　　建立横向和侧向随机风环境下，同时考虑随机风速的纵向脉动分量和横向脉动分量时，高速列车非定常气动载荷的计算方法，研究非定常气动载荷的标准差和最大值特性，并研究考虑横向脉动分量以后，高速列车非定常气动载荷的变化。当风向角为90°，即横风环境时，考虑横向脉动分量后，非定常气动载荷的统计特性变化不大;在侧风环境下，考虑横向脉动分量后，非定常气动载荷统计特性的变化与风向角有很大的关系，平均风速方向越接近横风方向，变化越小，越远离横风方向，变化越大。
作者：	于梦阁
专业：	载运工具运用工程
导师：	张继业
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文