平稳性快速算法及其在高速铁道车辆动力学分析中的运用
高速列车运行稳定性预测模型和振动补偿算法
高速列车运行稳定性预测模型和振动补偿算法高速列车的运行稳定性是保障运输安全和乘客舒适度的关键因素之一。
为了提高高速列车的运行稳定性，研究人员开发了多种预测模型和振动补偿算法。
本文将介绍其中一些常用的方法和技术。
首先，为了预测高速列车的运行稳定性，研究人员通常会采用系统动力学建模的方法。
系统动力学是研究系统随时间演化规律的学科，它可以描述列车运行过程中各个部件之间的相互作用。
基于系统动力学建模的方法，可以建立高速列车的数学模型，从而预测列车在不同运行条件下的稳定性。
这些模型通常包括列车的质量、运动学参数、轮轨接触力以及其他影响因素等。
其次，一些研究人员还开发了基于机器学习的高速列车运行稳定性预测模型。
机器学习是一种通过从数据中学习规律和模式来进行预测和决策的技术。
通过收集和分析高速列车运行过程中的大量数据，可以训练机器学习模型来预测列车的运行稳定性。
这些模型通常使用支持向量机、决策树、随机森林等算法，能够利用各种输入特征来预测列车的稳定性。
此外，振动补偿算法也是提高高速列车运行稳定性的关键技术之一。
高速列车在运行过程中会产生各种振动，这些振动不仅会影响乘客的乘坐舒适度，还可能对列车的性能和安全性产生不利影响。
因此，研究人员致力于开发各种振动补偿算法，以减少列车振动对乘客和列车的影响。
常用的振动补偿算法包括主动控制算法和被动控制算法。
主动控制算法通过在列车结构中嵌入传感器和执行器，实时监测和调整列车的振动状态。
被动控制算法则通过在列车结构中引入吸振材料和减振器等装置，消除列车振动产生的能量。
最后，为了验证高速列车运行稳定性的预测模型和振动补偿算法的有效性，研究人员通常会进行大量的实验和仿真测试。
通过收集真实列车的运行数据，可以验证预测模型的准确性和可靠性。
同时，通过在实验室或仿真环境中进行振动测试，可以评估振动补偿算法的效果和性能。
总结起来，高速列车运行稳定性预测模型和振动补偿算法是提高高速列车运行安全和乘客舒适度的重要手段。
基于SPAMP方法的高速列车运行平稳性研究的开题报告
基于SPAMP方法的高速列车运行平稳性研究的开题报告一、选题背景随着高速列车的发展，提高列车运行的平稳性一直是人们关注的问题。
平稳性不仅会影响列车整体的安全性，还会影响到列车内乘客的乘车舒适度。
因此，研究如何提高高速列车运行的平稳性具有重要的现实意义。
二、研究内容本次研究将基于SPAMP方法，分别对高速列车的车体振动、气动力和悬挂系统进行分析，以探究如何改善高速列车的运行平稳性。
具体内容包括：1. 建立高速列车运行平稳性的数学模型，包括车体振动模型、气动力模型和悬挂系统模型。
2. 运用SPAMP方法进行模型求解，得出高速列车运行时车体振动、气动力和悬挂系统的响应。
3. 在得到模型的响应后，分析影响高速列车平稳性的各种因素，包括路况、车速、车厢载荷等等。
4. 在研究的基础上，提出改善高速列车平稳性的方法和措施，并进行验证和实验。
三、研究意义本次研究对于提升高速列车的运行平稳性具有重要的现实意义。
一方面，可以提高列车的行车安全性，减少安全事故的发生。
另一方面，还可以提升列车内乘客的乘车舒适度，提高列车服务质量。
在此基础上，可以使高速列车在市场上更具竞争力。
四、研究方法本次研究将运用SPAMP方法进行分析，SPAMP方法可以处理复杂的非线性系统，具有较强的可靠性和精确性。
在模型建立和求解时，我们还将运用MATLAB和ANSYS等相关软件。
五、研究预期结果通过研究，我们将得到高速列车的运行平稳性模型，分析高速列车平稳性的各种因素以及提出改善方法和措施。
预期结果将有助于提升高速列车的运行平稳性，提高列车的安全性和服务质量。
注：SPAMP方法（Stochastic Pseudo-Analytical Method for Nonlinear Dynamics）为非线性动力学建模算法，在复杂的非线性系统分析中具有较强的可靠性和精确性。
列车运行平稳性评估及Sperling公式运用过程中的问题梳理
列车运行平稳性评估及Sperling公式运用过程中的问题梳理熊蕴远;王加里;吴涛涛;仇厚淇
【期刊名称】《中国新通信》
【年(卷),期】2022(24)19
【摘要】随着国家对各城市地铁线路运营安全评估提出更高要求,如何评价计算各种标准和规范中涉及的公式指标,成为运营单位和地铁工作者关心的一个问题。
本
文针对列车运行平稳性评估,介绍了用频谱和功率谱计算Sperling公式的两种方法。
特别针对由功率谱计算频谱给出了公式推导,对单边谱和双边谱换算上存在的误区,
给出了说明。
在通过现场数据比较两种计算方法后,给出了程序编制和使用过程中
的一些建议。
【总页数】3页(P32-34)
【作者】熊蕴远;王加里;吴涛涛;仇厚淇
【作者单位】铁运营有限公司总工办测试
【正文语种】中文
【中图分类】G63
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轨动态测试的地铁列车运行平稳性异常问题分析5.列车运行安全性、平稳性的控
制因素及评估准则
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高速列车动力学性能分析与优化
高速列车动力学性能分析与优化一、引言现代社会对于高速铁路的需求越来越大，它不仅在经济、社会发展中扮演着重要角色，还在环保和能源利用方面具有显著的优势。
然而，要实现高速列车的高效运行，动力学性能的分析与优化至关重要。
本文将从动力学的角度出发，分析高速列车的性能，并提出一些优化措施。
二、高速列车的动力学性能分析1. 制动与加速性能分析高速列车运行过程中，制动和加速的性能对运输效率和安全至关重要。
首先，通过对车辆的制动系统进行分析，可以提高制动的灵敏性和准确性。
此外，优化传动系统，减小传动功率损耗和能耗，可以提高列车的加速性能。
2. 稳定性与平稳性分析高速列车在高速状态下需要保持稳定性和平稳性，否则会对乘客的安全和舒适性造成影响。
因此，对列车的悬挂系统进行分析与优化，可以提高列车的平稳性和操控性。
3. 转向性能分析高速列车在曲线轨道上行驶时需要具备良好的转向性能，否则会导致列车脱轨的风险。
因此，对车辆的转向系统进行分析与优化，可以提高转向的准确性和稳定性，减小脱轨风险。
三、高速列车动力学性能的优化1. 材料与结构优化通过采用轻量化材料，如高强度钢、复合材料等，可以减轻车辆自重，提高列车的加速性能和能源利用效率。
同时，通过优化车体结构，减小空气阻力和噪音，可以提高列车的稳定性和乘坐舒适性。
2. 控制系统优化通过优化控制系统，提高列车的运行效率和安全性。
例如，采用先进的自动驾驶技术和智能控制系统，可以提高列车的制动、加速和转向的精度和响应速度。
3. 动力系统优化通过优化动力系统，提高列车的动力输出、能耗利用效率和环保性能。
例如，采用新型动力装置，如氢燃料电池、超级电容器等，可以减少能源消耗和排放，实现绿色运输。
4. 车辆配重优化通过优化车辆的配重，可以提高列车在高速运行时的稳定性和安全性。
合理分配重量，减小非均匀载荷对列车运行的影响。
四、案例分析以中国高铁为例，通过对高铁型号CRH380的动力学性能分析与优化，实现了列车的高速运行和节能减排。
横风下高速列车系统动力学的平衡状态法
横风下高速列车系统动力学的平衡状态法李田;张继业;张卫华【摘要】基于车辆-轨道耦合动力学和空气动力学提出了一种快速计算横风下高速列车系统动力学行为的平衡状态方法.首先,忽略轨道不平顺并利用流固耦合联合仿真方法计算横风下高速列车的平衡状态；然后,将平衡状态下的气动力加载到车辆-轨道耦合动力学模型并计算高速列车动力学响应.利用建立的平衡状态方法,研究了列车在速度为13.8 m/s的横风下以350 km/h速度运行时的流固耦合动力学行为.比较了平衡状态方法和联合仿真方法两种方法下列车姿态、安全性和舒适性指标的差异,计算结果差别在3.26％以内.研究结果表明:平衡状态方法计算横风下高速列车流固耦合的效率更高.【期刊名称】《动力学与控制学报》【年(卷),期】2013(011)003【总页数】6页(P264-269)【关键词】车辆动力学;横风;高速列车;流固耦合;平衡状态【作者】李田;张继业;张卫华【作者单位】西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都610031;西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都610031;西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都610031【正文语种】中文高速列车空气动力学与车辆－轨道系统动力学是高速铁路运输系统中不可分割的两大组成部分，两者是相互耦合、相互影响的［1－2］．在气动力作用下列车的运行姿态可能会发生改变，运行姿态会影响列车附近的流场，进而影响作用在列车上的气动力，这种互反馈作用将使空气－列车系统处于特定的耦合振动形态之中．强环境风对列车运行的安全有相当重要的影响，由于强环境风而导致列车脱轨及倾覆事故屡见不鲜［1－8］．目前，关于在环境风下高速列车动力学响应的计算方法主要有两种:离线仿真方法和联合仿真方法．离线仿真方法指的是先计算环境风下的作用在高速列车的气动力，然后作为恒定力加载到高速列车动力学模型计算高速列车动力学响应．目前大多数研究［3－8］均是采用此方法．该方法忽略列车在流场作用力下运行姿态的改变，难以反映其本质．联合仿真方法是指在迭代计算过程中交替计算环境风下的高速列车空气动力学和高速列车系统动力学，考虑空气动力学与车辆－轨道耦合动力学之间的耦合效应．Baker［9］在英国某海岸线进行了静止列车侧风实车试验，不过列车处于静止状态，很难反映运行列车在侧风环境下的气动特性．文献［1－2］通过同步控制实现了车辆－轨道耦合动力学与空气动力学之间的联合同步仿真．离线仿真方法计算速度快，但是其忽略列车运行姿态影响的计算结果难以反映本质;联合仿真方法考虑了列车运行姿态的变化，但是其计算速度较慢．本文在文献［1－2］的基础上，提出了一种快速计算横风下高速列车流固耦合动力学行为的平衡状态方法．利用建立的流固耦合计算方法，研究了列车在速度为13．8 m/s的横风下以350 k m/h速度运行时的流固耦合动力学行为．利用平衡状态方法和联合仿真方法数值仿真关于列车姿态、安全性和舒适性指标的差别甚微．当高速列车在横风作用下高速运行时，其周围流场可考虑为三维粘性非定常的湍流流场．当列车的运行速度小于等于400 km/h时，列车附近的流场可近似处理为不可压缩流场，湍流模型采用标准k－ε两方程模型，其控制方程的运输方程［1－2］形式为:其中:t为时间;ρ为空气密度;u为速度矢量;φ为流场通量;S为源项;Γ为扩散系数;V 为任意一个控制体积，A为包围该体积的封闭面面积有限体积的外表面A的运动速度．车辆－轨道耦合动力学［10］主要包括车辆动力学、轨道动力学和轮轨关系三个方面．车体、构架和轮对均假设为刚体，不考虑其弹性变形;轨道系统为双质量(轨枕和道床)三层(钢轨－轨枕－道床－路基)弹簧－阻尼振动连续分布轨道模型．列车－轨道耦合动力学方程为:其中:M、C、K分别为列车-轨道耦合系统的质量、阻尼、刚度矩阵;X为系统的广义位移矢量;X为系统的广义速度矢量;¨X为系统的广义加速度矢量;F为系统的广义载荷矢量，包括轨道激励载荷;Fa为作用在质心的气动载荷矢量．基于车辆－轨道耦合动力学理论，采用 FORTRAN语言编写了车辆－轨道耦合动力学程序并验证了其可靠性［2］．利用新型显示积分方法［10］求解车辆－轨道耦合动力学方程．引入两个积分参数φ和ψ，构造新的显示积分格式其中Δt为时间积分步长;下标n代表t=nΔt瞬时;下标n+1代表t=(n+1)Δt瞬时．式(2)在t=(n+1)Δt瞬时的形式为将式(3)代入式(4)可计算得到¨Xn+1．网格更新技术采用弹簧近似方法和网格重划分方法，当弹簧近似方法失效后采用网格重划分方法更新网格．弹簧近似方法［11］是网格变形方法中一个简单高效的方法．弹簧近似方法将整个网格看作一个弹簧网格系统，每一条边都认为是一根具有一定刚度系数的弹簧．弹簧刚度系数为其中:rij为节点i与节点j之间的距离，ri为节点i的位置，‖．‖为2范数．网格移动后网格点的位移通过求解下述线性系统确定其中:Ni为与节点i相连的节点总数，Δrj为节点j的位移，求和对所有与节点i相连的节点进行，(i=1，…，n)．变形后网格节点位置为:图1所示为高速列车流固耦合联合仿真计算方法，在每一个耦合时间步长内进行迭代:首先根据列车姿态(包括横移、沉浮、侧滚、点头和摇头)更新计算网格，其次求解空气动力学计算作用在车体上的气动力(侧力、升力、侧滚力矩、点头力矩和摇头力矩)，然后通过接口程序求解气动力作用下的车辆－轨道耦合动力学，最后通过同步控制判断返回列车的姿态．高速列车流固耦合动力学求解器包括空气动力学求解器和集成了流固耦合接口程序的车辆－轨道耦合动力学求解器，并将车辆－轨道耦合动力学求解器嵌入空气动力学计算程序中．这样在计算中避免了空气动力学求解器和车辆－轨道耦合动力学求解器之间数据的相互通信，并且避免了车辆－轨道耦合动力学程序计算的等待，有效地节省了计算资源．联合仿真计算方法由于在每一个耦合时间步长内均需要进行空气动力学和列车－轨道耦合动力学的计算，计算量偏大．在气动力作用下列车的运行姿态可能会发生改变，运行姿态会影响列车附近的流场，进而影响作用在列车上的气动力，这种互反馈作用将使空气－列车系统处于特定的耦合振动形态之中．当车辆－轨道耦合动力学忽略轨道谱的影响时，横风作用下的高速列车气动力和列车姿态处于一种平衡状态．基于横风作用下高速列车的平衡状态，提出了一种快速计算横风作用下高速列车流固耦合的方法，即平衡状态法．平衡状态法的计算过程:① 忽略轨道不平顺的影响，利用流固耦合联合仿真方法计算列车气动力和姿态，直到达到一个较稳定的数值，即获取平衡姿态下的稳定气动力;② 在考虑轨道不平顺情况下，利用流固耦合联合仿真方法计算得到的列车瞬态气动力，加载到车辆－轨道耦合动力学模型并计算高速列车动力学响应．由于平衡状态法中获取平衡姿态下稳定气动力的迭代时间比文献［2］中的联合仿真计算波动气动力的迭代时间要少，平衡状态法的计算量相比联合仿真方法的计算量明显减少，计算速度更快．为了分析横风下高速列车流固耦合动力学，建立了横风下高速列车计算区域，如图2所示．计算区域的长度为350 m，入口端距离车头鼻尖处100 m，出口端距离车头鼻尖处175 m，顶端距离地面60 m，迎风侧入口端距离轨道中心线30 m，背风侧出口端距离轨道中心线60 m，列车与轨道所处地面之间的距离为0．376 m．计算区域的前侧和左侧设置为速度入口边界，后侧和右侧为压力出口边界，顶部为对称边界，列车表面设置为壁面，地面设置为滑移边界．计算模型为国内某型号高速列车三车编组模型，忽略车顶电机及受电弓等凹凸结构．不考虑车辆间的纵向动力作用和车辆的纵向伸缩振动．轨道结构选取弹性支承式无渣轨道［10］，轨道不平顺选用国内某线路实测不平顺．列车空气动力学和车辆－轨道耦合动力学迭代时间步长分别为2．0×10－3s和 5．0 ×10－5s．考虑平地上列车运行速度350 km/h和横风速度13．8 m/s，对应合成风速为98．2 m/s和偏航角为8．08°．采用联合仿真方法计算横风下高速列车流固耦合时，将横风下高速列车运行计算视为瞬态情况，前5 s渐变加载瞬态气动力并且未考虑轨道不平顺的影响，第5 s后加入轨道不平顺，总计算时间15 s;采用平衡状态方法计算横风下高速列车流固耦合时，首先忽略轨道不平顺情况下利用流固耦合联合仿真方法计算平衡姿态下的稳定气动力，其次将得到的波动气动力加载到车辆－轨道耦合动力学中，前5 s渐变加载瞬态气动力并且未考虑轨道不平顺的影响，第5 s后加入轨道不平顺，总计算时间12 s．由于横风作用下头车的耦合效应相对明显［2］，因此下面以头车为例分析平衡状态法的动力学响应，并与联合仿真方法进行对比．图3为平衡状态法计算得到的头车瞬态气动力，前5 s利用联合仿真方法计算气动力的变化较大，由于未加载轨道不平顺，气动力衰减一段时间后达到一个较稳定的值，即平衡状态下的稳定气动力．大约8 s时，头车的气动力已经达到一个相对稳定的值．图4为平衡状态法和联合仿真法关于头车侧力和侧滚力矩的对比，前5 s两种方法下的气动力波动幅值和规律基本一致，这是由于两者前5 s均未考虑轨道不平顺并且计算气动力都采用的联合仿真方法．第5 s后由于联合仿真方法考虑轨道不平顺的影响，因此气动力有所波动，几乎是围绕着平衡状态下的稳定气动力波动．头车阻力、升力、摇头和点头力矩的变化规律类似．图5为平衡状态法和联合仿真法关于头车横移和侧滚响应的对比，两种方法下波动规律和幅值都比较接近．前5 s两种方法下的姿态的波动曲线几乎完全一致，这是由于两者前5 s加载的瞬态气动力差别很小．第5 s后由于联合仿真方法加载的是波动气动力而平衡状态法加载的是平衡状态下的稳定气动力，因此车体横向位移和侧滚角的波动幅值略有不同．表1为平衡状态法和联合仿真法关于车体姿态绝对值最大值的对比．两种方法下头车横移、沉浮、侧滚、点头、摇头五个姿态的最大幅值相差较小，变化幅度均在3．2%以内．平衡状态法计算的头车摇头角相对联合仿真法的结果要小3．2%．表2分别为平衡状态法和联合仿真法关于头车安全性和舒适性指标绝对值最大值的对比．两种方法下轮轨垂向力、轮轴横向力、脱轨系数和轮重减载率四个安全性指标的最大幅值相差不大，变化幅度均在3．26%以内，最容易超安全限值的轮重减载率指标相差为1．91%．平衡状态法和联合仿真法模拟的头车横向加速度和垂向加速度差别在2%左右．从上述分析可知，联合仿真方法下的波动气动力围绕在平衡状态法下的稳定气动力的附近波动，平衡状态法和联合仿真方法关于车体姿态响应以及车体安全性和舒适性指标的差别较小．表3为离线仿真方法、平衡状态方法和联合仿真方法三种情况下关于计算效率的比较情况．离线仿真方法为稳态计算，总的迭代步数为2000步，列车－轨道耦合动力学的计算时间为15 s;平衡状态方法和联合仿真方法均为瞬态计算，每一个时间步长达到残差稳定需要迭代20步，平衡状态方法忽略轨道不平顺达到平衡状态需要10 s，故流体计算时间迭代总步数为5000步，每次时间迭代步均需要调用一次动力学计算，动力学计算总迭代时间为10 s，最后考虑轨道不平顺计算中动力学时间迭代时间为15 s;联合仿真方法中，时间迭代总步数为7500步，每次时间迭代步均需要调用一次动力学计算，动力学计算总迭代时间为15 s．流体计算耗时也远远大于动力学的计算耗时．从表中可以看出，离线仿真方法的计算速度比较快，但是其忽略了流固耦合效应难以反映实际情况;平衡状态方法相比联合仿真方法，极大的节约了流体计算迭代步数，计算效率明显提高．1)基于车辆－轨道耦合动力学和空气动力学建立了一种快速计算横风下高速列车流固耦合动力学行为的平衡状态方法．2)利用有限体积法求解流体控制方程，新型显示积分方法求解车辆－轨道耦合动力学方程，采用弹簧近似方法和网格重划分方法更新网格．3)联合仿真方法下的波动气动力围绕在平衡状态法下的稳定气动力的附近波动，平衡状态法和联合仿真方法数值仿真计算关于车体姿态响应以及车体安全性和舒适性指标的差别较小．2012－06－11 收到第 1 稿，2012－06－13 收到修改稿．【相关文献】1 Li T，Zhang J Y，Zhang W H．An Improved algorithm for fluid－structure interaction of high－speed trains under crosswind．Journal of modern transportation，2011，9(2):75 ～812 李田，张继业，张卫华．横风下高速列车流固耦合动力学联合仿真．振动工程学报，2012，25(2):138～145．(Li T，Zhang J Y，Zhang W H．Co－simulation of highspeed train fluid－structure interaction dynamics in crosswinds．Journal of Vibration Engineering，2012，25(2):138～145(in Chinese))3 谭深根，李雪冰，张继业，等．路堤上运行的高速列车在侧风下的流场结构及气动性能．铁道车辆，2008，46(8):4～8(Tan S G，Li X B，Zhang J Y，et al．The flow field structure and the aerodynamic performance of high speed trains running on embankment under cross wind．Rolling Stock，2008，46(8):4 ～8(in Chinese))5 李雪冰，杨征，张继业，等．强风中高速列车空气动力学性能．交通运输工程学报，2009，9(2):66～73(Li X B，Yang Z，Zhang J Y，et al．Aerodynamics properties of high－speed train in strong wind．Journal of Traffic and Transportation Engineering，2009，9(2):66 ～73(in Chinese))6 于梦阁，张继业，张卫华．侧风下高速列车车体与轮对的运行姿态．交通运输工程学报，2011，11(4):48～55(Yu M G，Zhang J Y，Zhang W H．Running attitudes of car body and wheelset for high－speed train under cross wind．Journal of Traffic and Transportation Engineering，2011，11(4):48～55(in Chinese))7 刘加利，于梦阁，张继业，等．基于大涡模拟的高速列车横风运行安全性研究．铁道学报，2011，33(4):13～21(Liu J L，Yu M G，Zhang J Y，et al．Study on running safety of high－speed train under crosswind by large eddy simulation．Journal of the China Railway Society，2011，33(4):13～21(in Chinese))8 李田，张继业，张卫华．横风下车辆轨道耦合动力学性能研究．交通运输工程学报．2011，11(5):55～60(Li T，Zhang J Y，Zhang W H．Coupling dynamics performance of vehicle－track under cross wind．Journal of Traffic and Transportation Engineering，2011，11(5):55～60(in Chinese))9 Baker C J，Jones J，Lopez－Calleja F，et al．Measurements of the cross wind forces on trains．Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2004，92(7):547 ～563 10 翟婉明．车辆－轨道耦合动力学(第3版)．北京:科学出版社，2007(Zhai W M．Vehicle－track coupling dynamics．Beijing:Science Press，2007(in Chinese))11 Li T，Zhang J Y，Zhang W H．Nonlinear Characteristics of Vortex－Induced Vibrationat low Reynolds number．Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulations．2011，16:2753～2771*The project supported by the National Natural Science Foundation ofChina(50823004)and the National Key Technology R＆D Program ofChina(2009BAG12A01－C08)and Development Project of Railway Ministry(2008J013)† Corresponding author E－mail:litian3408@163．com。
稳健性优化方法在铁道车辆优化中的应用
稳健性优化方法在铁道车辆优化中的应用李利军;沈文林;池茂儒【摘要】采用一种基于灵敏度分析的稳健性优化方法,以某铁道车辆转向架悬挂参数为设计变量,针对该车辆的稳定性进行了优化设计,并结合正交试验参数灵敏度分析方法对优化后的悬挂参数进行了灵敏度分析.研究结果表明,稳健性优化设计得到的悬挂参数不仅使该车辆拥有较高的临界速度,且临界速度对各悬挂参数的灵敏度均很低,文中优化后车辆的临界速度达到了505 km/h,当各悬挂参数改变时,临界速度变化不到5％.【期刊名称】《兰州交通大学学报》【年(卷),期】2013(032)006【总页数】4页(P146-149)【关键词】稳健优化设计;灵敏度;悬挂参数【作者】李利军;沈文林;池茂儒【作者单位】中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西西安710043;西南交通大学牵引动力国家重点实验,四川成都610031;西南交通大学牵引动力国家重点实验,四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】U270.2转向架技术是铁道车辆的关键技术之一，决定了铁道车辆的运行品质和安全可靠性.转向架的动力学性能是由转向架结构参数和悬挂参数决定的，在结构参数确定之后，悬挂参数就决定了整个车辆的动力学性能，因此转向架设计的核心就是悬挂参数的优化设计［1］.传统的优化方法仅以得到最优动力学性能为目的，而不考虑动力学性能对悬挂参数的灵敏度，而在实际生产中很难从制造工艺上保证悬挂参数的精确度，且随着车辆的运行悬挂参数也会发生一定的扰动.因此，我们不仅要优化出最优的动力学性能，还应使动力学性能对悬挂参数的灵敏度最低.稳健设计的目的是设计出在满足系统性能的条件下使系统对参数的变异不敏感的系统参数，使系统不仅达到性能目标，而且极小化性能变异，以此来提高产品或过程的质量［2］.本文采用了一种基于灵敏度分析的稳健优化设计方法，该方法是将稳健性设计和优化设计相结合，通过控制设计变量的灵敏度来保证设计最优解的稳健性［3］.以某铁道车辆转向架悬挂参数为设计变量，针对该车辆的稳定性进行了优化设计，并采用基于正交试验的参数灵敏度分析方法对优化后的悬挂参数进行了灵敏度分析.1.1 稳健性优化设计概念［4］设优化问题中的目标函数为f（x，y），约束条件为g（x，y）≤0和h（x，y）＝0.其中：x＝（x1，x2，…，xn）T是设计变量，y＝（y1，y2，…，yq）T是预先设定的参数向量.假设这两种向量都存在不确定因素的影响.令：z＝（x，y）T＝（z1，…，zn）T，即不确定参数维数是N＝n＋q.则参数的灵敏度为前者是目标函数对不确定参数的灵敏度，后者是约束条件对确定参数的灵敏度.稳健性设计的概念可定义如下：如果存在设计向量x*＝（x*1，…，x*n）T，使得目标函数和约束条件对不确定参数的灵敏度最小，即对不确定参数的变化量不敏感，则此设计为稳健性优化设计.通常有两种途径来实现稳健性设计，一是将灵敏度分析作为约束条件，二是将灵敏度分析结果作为附加目标函数.在优化过程中施加基于灵敏度的约束需要预先知道灵敏度值的范围，而实际中往往是不能确定灵敏度范围的，因此本文采用了基于灵敏度的附加目标函数的方法.1.2 基于灵敏度的附加目标函数假设设计变量有扰动，则可定义如下基于灵敏度的目标函数：式（3）中：c1、c2、c3为加权系数.由于加入了灵敏度的目标函数项，相当于在式（1）中加入了一个目标函数.则式（1）的目标函数可写成如下形式：式中：dr为加权因子，可按各目标函数的重要程度来选择.2.1 优化方法的选择遗传算法对于求解非线性、多模型、多目标等复杂系统优化问题有很好的应用，它不依赖于问题的具体领域，已经在函数优化、自动控制、机器学习等科技领域有着广泛的应用［5］.在铁道车辆领域遗传算法也有所应用，如文献［6］将遗传算法用于对踏面形状的优化，文献［7］将遗传算法用于机车车辆横向动力学多参数的优化设计.上述文献采用的是基本遗传算法，基本遗传算法在优化过程中容易出现早熟现象［5］，即在搜索最优解的过程中陷入停滞状态，导致搜索到的解可能是局部最优解.为此本文采用的是改进的小生境遗传算法，该算法能很好的保持种群的多样性、提高全局优化能力［8］.2.2 确定设计变量由文献［9］可知，对车辆稳定性和曲线通过影响最大的悬挂参数是一系纵向定位刚度、一系横向定位刚度和抗蛇行减振器，它们对稳定性和曲线通过性能的影响基本是相反的，一般来说，适当增大一系纵横向定位刚度能提高车辆稳定性，但当增大到一定程度以后，稳定性反而会下降；增大抗蛇行减振器的卸荷力能提高车辆稳定性，当增大到一定程度以后，稳定性的增加就不再明显.一系纵横向刚度和抗蛇行减振器卸荷力的增大都会恶化车辆的曲线通过能力.综上分析，本文选取了3个参数进行优化，分别是一系纵向定位刚度；一系横向定位刚度；抗蛇行减振器卸荷力，优化区间如表1所示.2.3 建立多目标函数铁道车辆运行稳定性主要是为了防止车辆蛇行运动［10］，因此提高车辆的临界速度可以有效增加车辆运行的稳定性.由前文分析可知，转向架悬挂参数对车辆稳定性和曲线通过安全性的影响常常是相反的，在车辆稳定性提高的时候，往往会恶化车辆的曲线通过能力，为此，本文将车辆的曲线通过安全性能作为约束条件，以保证车辆稳定性提高的同时，仍拥有良好的运行安全性能.建立的多目标函数如下：说明，为了与前文稳健性优化设计理论相对应，目标函数仍采用极小值来表示，本文需求解的是临界速度的极大值，因此在临界速度前加上负号，式为轮对最大脱轨系数；为轮对最大轮重减载率；Hymax为轮对最大轮轴横向力；Hylim为轮轴横向力极限值，单位是k N；μi（i＝1，2）为加权系数.2.4 优化结果分析2.4.1 临界速度优化结果本文采用了稳健性优化方法对某铁道车辆的稳定性进行了优化设计，同时选取了采用传统优化方法得到的一组结果进行对比分析.表2是采用两种方法优化后的悬挂参数值，可看出稳健性优化方法得到的悬挂参数值要大于传统方法优化的值，且采用传统方法优化出的悬挂参数值很接近约束条件的边界.为了叙述方便，将稳健性优化方法的得到的悬挂参数称为第1组参数，传统方法优化得到的悬挂参数称为第2组参数.车辆在第1组参数下的临界速度为505 km·h－1，在第2组参数下的临界速度为515 km·h－1.优化后的临界度如表3所示.两组优化参数都能满足铁道车辆的稳定性要求，但在实际运用中希望车辆性能对参数的敏感性越低越好，到底哪组优化参数对临界速度的敏感性更低呢，下面将展开详细分析.2.4.2 悬挂参数的灵敏度分析本文采用基于正交试验的参数灵敏度分析方法［11］，分别计算了两组悬挂参数的灵敏度.每个参数选取3个水平，设2水平为基本参数值，1水平和3水平分别为在基本参数的基础上变化所得.根据参数个数和水平构造了L43（9）正交试验表.为能直观判断参数变化对临界速度影响大小，采用了百分比灵敏度来表示，文中具体含义就是当悬挂参数变化时，临界速度变化的百分比.表4列出了两组悬挂参数的百分比灵敏度，第1组参数中的一系纵向定位刚度对临界速度的百分比灵敏度为4.7%，而第2组参数中的一系纵向定位刚度的灵敏度为17%，后者的灵敏度远大于了前者的灵敏度.当一系纵向刚度变化15%时，若临界速度的变化控制在5%以内是非常合理的，但当变化达到了17%时，很显然此时的灵敏度偏高.图1是一系纵向刚度对临界速度的“水平－响应”曲线，从图可知，传统优化方法得到的一系纵向刚度位于曲线变化的“尖点”处，因而灵敏度高，而稳健性优化方法得到的刚度值处于平缓的区域，因此灵敏度低.同样，比较两组抗蛇行减振器卸荷力的灵敏度可知，稳健性优化得到的卸荷力的灵敏度同样要低于传统优化方法得到的卸荷力的灵敏度，卸荷力对Vcr“水平－响应”曲线如图2所示.通过以上计算分析可以得出以下结论：1）采用传统的优化方法对铁道车辆悬挂参数进行优化设计时，可能将最优解推向约束条件的边界或搜索的最优解处于参数变化的“尖点”处，使得最优解的灵敏度很高，这样车辆在服役过程中的动力学性能变化比较大（当悬挂参数变化±15%时，临界速度变化达到17%）.2）基于灵敏度分析的稳健性设计方法能优化出最优、最稳定的解.优化后车辆的临界速度达到了505 km／h，当悬挂参数变化±15%时，临界速度最大变化仅为5%，可见优化的悬挂参数对临界速度的灵敏度是很低的.由此可见，稳健性优化设计方法能更好适应铁道车辆的工程应用.【相关文献】［1］张卫华.高速转向架技术的创新研究［J］.中国工程科学，2009，11（10）：8-17.［2］薛海，商跃进，王红.转向架弹簧疲劳强度的稳健设计［J］.兰州交通大学学报，2011，30（6）：115-118.［3］芦新春，王明强.摆线针轮行星减速器的稳健性优化设计［J］.华东船舶工业学院学报，2004，18（5）：61-65.［4］王安麟，朱学军，张惠侨.Pareto多目标遗传算法及其在机械稳健设计中的应用［J］.机械设计与研究，2000，12（4）：10-12.［5］雷英杰，张善文，李续武，等.遗传算法工具箱及应用［D］.西安：西安电子科技大学，2005.［6］李庆升.基于基因遗传算法的车轮踏面优化［J］.铁道车辆，2011，49（5）：7-10.［7］汤东胜，范佩鑫.基于遗传算法的机车车辆横向动力学多参数优化设计［J］.内燃机车，2000（12）：9-13.［8］李伟，张振刚.基于改进小生境遗传算法的Pareto多目标配电网重构［J］.电力系统保护与控制，2011，39（5）：1-5.［9］池茂儒，张卫华，曾京，等.高速客车转向架悬挂参数分析［J］.大连交通大学学报，2007，28（3）：13-19.［10］王福天.车辆系统动力学［M］.北京：中国铁道出版社，1981.［11］邱清盈，冯培恩.基于正交试验的灵敏度分析方法［J］.机械设计，1997（5）：4-7.。
高速列车稳定性分析方法
高速列车稳定性分析方法
陆冠东
【期刊名称】《铁道车辆》
【年(卷),期】2008(046)001
【摘要】讨论了高速列车稳定性评估的3种方法和检验标准.应用线性矩阵分析技术的特征值方法适用于悬挂元件均为线性变化并带有锥形踏面的车辆.带初始干扰的非线性仿真分析适用于悬挂元件或车轮踏面形状带有明显的非线性特性的车辆.这2种方法考查的都是车辆自激振动的稳定性.车辆横向运行平稳性评估法则用于检验车辆与轨道相互作用的稳定性.
【总页数】5页(P6-10)
【作者】陆冠东
【作者单位】英国DrLu铁路顾问公司,英国,伯明翰
【正文语种】中文
【中图分类】U270.1+1
【相关文献】
1.全尺寸高速列车头型气动噪声分析方法 [J], 高阳;李启良;王毅刚
2.高速列车车体可靠性参数灵敏度分析方法对比研究 [J], 向鹏霖;卢耀辉;党林媛;冯振;曾京
3.雷电电磁环境对高速列车影响分析方法研究 [J], 赵治国; 徐跃; 马谢; ARLOU·YAUHANI
4.高速列车风挡腔内流场分布试验分析方法探讨 [J], 白夜;杨俊;李建平;张超;董孝
卿
5.高速列车铝合金车体强度可靠性安全系数分析方法 [J], 赵智堂;卢耀辉;张德文;冯振;曾京
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铁道车辆动力学性能
2.2 平稳性评定标准
Sperling （斯佩林）平稳性指数：
车辆平稳性指标和车速的关系
01
04
02
03
前进方向
前转向架中心
后转向架中心
舒适性(Nmv)指标： 舒适性指标分简化方法和完全方法，一般仿真计算采用简化方法。其测点如下图：
2.2 平稳性评定标准
2.2 平稳性评定标准
二、舒适性(Nmv)指标：
（一）倾覆系数及评估标准：
2.2 安全性评定标准
一、车辆抗倾覆稳定性及其评估标准：
上式中第一项是由于车辆通过曲线时未被平衡的离心力引起的（向曲线外侧方向的离心力和由于外轨超高引起的车辆重量向内侧的水平分力之差）。第二项是由于车辆横向振动惯性力引起的。第三项是由于侧向风力引起的。
——加速度均方根
2.2 平稳性评定标准
二、舒适性(Nmv)指标：
舒适性的等级 NMV<1 最佳舒适性 1<NMV<2 良好舒适性 2<NMV<4 中等舒适性 4<NMV<5 不好舒适性 5<NMV 极差舒适性 舒适性和平稳性指标的差异 1. 测量点和测量的加速度不同； 2. 计算方法不同； 3. 评价方法(有无纵向)和等级不同；
2.2 安全性评定标准
一、车辆抗倾覆稳定性及其评估标准：
倾覆系数：
GB 5599-85规定“试验鉴定车辆的倾覆系数应满足下列要求：
倾覆系数应在试验车辆以线路容许的最高速度通过时的运行状态下测试。试验鉴定车辆同一侧各车轮或一台转向架同一侧各车轮其倾覆系数同时达到或超过0.8时，方被认为有倾覆危险。 考虑气动力作用，
≤
当用平均最大加速度评定速度 ≤100km/h的货车平稳性等级时，采用下列公式：
高速列车轨道结构动力学分析
高速列车轨道结构动力学分析近年来，高速列车已成为人们出行首选的交通工具之一，不仅能够极大地提高出行效率，还能够节约出行成本。
高速列车经常以极高的速度在铁路上行驶，因此它的轨道结构十分重要。
轨道的稳定性和安全性是影响高速列车出行的关键因素之一。
本文将探讨高速列车轨道结构的动力学分析。
1. 轨道结构简介高速列车轨道结构主要包括轨道、桥梁和隧道等构筑物。
轨道包括轨道道床和轨枕，轨道道床是轨道的基础，必须保证其坚实平稳。
轨道道床下方有排水层和土工材料层保证轨道的排水和增强稳定性。
轨枕是轨道道床上的支撑部分，轨枕必须保证其足够强度和耐用性，能够承受列车通过时的压力。
桥梁和隧道是高速列车行驶过程中比较重要的部分，其必须保证其结构强度和抗风压能力，以确保高速列车安全运行。
2. 动力学分析高速列车的高速行驶对轨道结构的动力学负荷呈现出特殊的要求。
为了能够确保高速列车的平稳行驶，必须对轨道结构进行动力学分析。
动力学分析可以通过对轨道结构施加负荷，以获取轨道及其支撑结构的响应。
轨道结构的动力学分析可以分为两个方面：一是考虑列车的运动状态，二是考虑轨道结构自身的响应。
（1）考虑列车的运动状态考虑列车的运动状态，可以通过列车的动力学模型进行描述。
列车的动力学模型包括列车质量、牵引力、空气阻力等因素。
在动力学分析中，可以采用MATLAB/SIMULINK等软件对列车的动力学模型进行建模。
通过动力学模型可以得到列车的空气阻力、惯性力、弯曲力、剪切力等作用于轨道上的力。
然后根据这些作用力，对轨道结构进行动力学分析。
分析的过程主要是利用有限元方法和计算力学方法，求解轨道结构的响应。
（2）考虑轨道结构自身的响应由于高速列车的运动状态是随着时间不断变化的，因此轨道结构必须能够在不同的时间段内承受不同的力，以确保高速列车安全运行。
轨道结构自身的响应包括轨道的挠曲、平移和转动等，并且受到轨枕、断面等因素的影响。
在动力学分析中，常采用有限元方法将轨道结构建模。
铁道车辆平稳性分析
铁道车辆平稳性分析1.车辆平稳性评价指标1.1 sperling平稳性指标欧洲铁路联盟以及前社会主义国家铁路合作组织均采用平稳性指数来评定车辆的运行品质。
等人在大量单一频率振动的实验基础上提出影响车辆平稳性的两个重要因素。
其中一个重要因素是位移对时间的三次导数,亦即（加速度变化率）。
若上式两边均乘以车体质量,并将之积改写为，则。
由此可见,在一定意义上代表力F的变化率的增减变化引起冲动的感觉。
如果车体的简谐振动为(||（1）影响平稳性指数的另一个因素是振动时的动能大小,车体振动时的最大动能为：（2）所以：（3）sperling在确定平稳性指数时,把反映冲动的和反映振动动能的乘积作为衡量标准来评定车辆运行平稳性。
车辆运行平稳性指数的经验公式为：（4）式中——振幅（cm）；f——振动频率（Hz）；a——加速度,其值为：；——与振动频率有关的加权系数。
对于垂向振动和横向振动是不同的，具体情况见表1。
表1 振动频率与加权系数关系公式公式以上的平稳性指数只适用一种频率一个振幅的单一振动,但实际上车辆在线路上运行时的振动是随机的,即振动频率和振幅都是随时间变化的。
因此在整理车辆平稳性指数时,通常把实测的车辆振动加速度按频率分解,进行频谱分析,求出每段频率范围的振幅值,然后对每一频段计算各自的平稳性指数,然后再求出全部频率段总的平稳性指数：（5）Sperling平稳性指标等级一般分为5级，sperling乘坐舒适度指标一般分为4级。
但在两级之间可按要求进一步细化。
根据W值来评定平稳性等级表见表2表2 车辆运行平稳性及舒适度指标与等级我国也主要用平稳性指标来评定车辆运行性能，但对等级做了简化，见表3。
表3 车辆运行平稳性指标与等级对sperling评价方法的分析：1.该评价方法仅按照某一个方向的平稳性指标等级来判断车辆的性能是不全面的,需要同时考虑垂向与横向振动对人体的生理及心理的相互影响,因为有时根据垂向振动确定的平稳性指标等级与根据横向振动确定的平稳性指标等级存在较大的差异。
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第 ３ 卷第 ６ Ｏ 期
２ＯＯ８年 １ ２月
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虚 拟 激 励 法 导 出 轨 道 车辆 响应 功 率 谱 的 简 易 算 法 ， 后 利 用 所 获 得 的 功率 谱 和 反 演 技 术 ， 得 系 统 响 应 的 幅值 然 获
谱， 由此 可快 速 获 得 轨 道 车 辆 的 平 稳性 指标 。运 用 该 算 法 还 可 以方 便 地 分 析 轨 道 谱 中单 一 波 长 对 车 辆 运 行 平 稳
平稳性快速算法及其在高速铁道车辆动力 学分析中的运用
周 劲 松 ， 李 大 光 ， 张祥 韦 ， 沈 钢
（ 同济 大 学 铁 道 与城 市 轨 道 交 通 研 究 院 ， 海 ２ ０ ｇ） 上 Ｏ Ｏ ２
摘
要 ： 出 了轨 道 车 辆 基 于 虚 拟 激励 原 理 的平 稳 性 快 速 算法 。 当车 辆 系 统 受 多 点 全 相关 随机 激 励 时 ， 导 首先 基 于 稳 性有 影 响 的线 路 敏 感 波 长 范 围 。 以某 型 高 速 客 车 为 例 ， 析 了其 垂 向 和 横 向 的 分
响应 功 率 谱 、 稳 性 指 标 ， 利 用 反 演 技 术 获 得 了加 速 度 的 时域 信 号 和 幅 值 谱 ， 后 分 析 了轨 道 谱 中单 一 波 长对 平 还 最 车 辆 平 稳 性 的 影 响 。分 析 表 明 ， 行 速 度 越 高 ， 平 稳 性 影 响 的 波 长 范 围就 越 宽 ， 运 对 线路 的维 护 难 度 也 越 大 。 关 键 词 ： 速 ；铁 道 车辆 ；虚 拟激 励 法 ；运行 平 稳 性 ；轨道 谱 高
中 图分 类 号 ： ７ ． Ｕ２ Ｏ １ 文献标志码 ： Ａ
Ａｎ Ａｌ０ ｉ ｍ ０Ｆ ｓ ａｙ ｅＲｉｅＱｕ ｌ ｙ ａ ｄ ｉｓＡｐ ｌ ａ ｉｎ ｇ ｒｔ ｔ ａ ｔＡｎ ｌｚ ｄ ａ ｉ ｎ ｔ ｐ ｉ ｔ０ ｈ ｔ ｃ
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