長大線路服役狀態(tài)演化模型及關(guān)鍵參數(shù)估計(jì)算法研究.pdf

1、高速鐵路是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，列車與線路基礎(chǔ)設(shè)施的服役性能隨著長期運(yùn)營不斷發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。由于列車運(yùn)行速度大幅提高，輪軌之間動(dòng)力作用加大，造成對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)作用加強(qiáng)。我國高鐵大規(guī)模成網(wǎng)運(yùn)行，線路跨越多個(gè)氣候帶，服役性能的演變更加復(fù)雜。線路基礎(chǔ)設(shè)施服役性能下降導(dǎo)致潛在病害更具突發(fā)性和嚴(yán)重性，極大的影響著線路的運(yùn)行安全。掌握基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)參數(shù)的形成和分布規(guī)律，準(zhǔn)確感知關(guān)鍵路段部件狀態(tài)參數(shù)的變化趨勢(shì)，建立和完善科學(xué)的線路健康服役狀態(tài)保障體系，對(duì)于保

2、證高速鐵路安全平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義。
　　以反映線路安全的關(guān)鍵參數(shù)軌道應(yīng)力為切入點(diǎn)，圍繞長大線路服役狀態(tài)演化過程，考慮溫度因素的緩變作用和車輛沖擊的瞬態(tài)作用，論文開展了無縫線路多尺度動(dòng)靜態(tài)建模以及相關(guān)參數(shù)智能估計(jì)算法研究。實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜路段鋼軌應(yīng)力演化過程模擬，分析了鋼軌應(yīng)力對(duì)車軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，為鋼軌應(yīng)力的檢測(cè)與評(píng)估提供了理論依據(jù)。
　　首先提出了計(jì)算大型結(jié)構(gòu)平均性能參數(shù)的漸進(jìn)均勻化方法，建立了晝夜及季節(jié)溫度變化作用下的長大

3、線路多尺度靜態(tài)模型。根據(jù)線路中不同區(qū)段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用不同的仿真尺度，分析了各區(qū)段線路狀態(tài)參數(shù)的演變規(guī)律。對(duì)線路重點(diǎn)區(qū)域，采用細(xì)尺度建立了保留關(guān)鍵細(xì)節(jié)的精細(xì)化模型。對(duì)線路中具有結(jié)構(gòu)周期性特點(diǎn)的路段，提取其典型結(jié)構(gòu)的平均性能，建立了宏觀尺度模型。將不同尺度局部模型按邊界行為一致的原則，組成多尺度整體線路模型，模擬了由局部結(jié)構(gòu)變化引起的線路應(yīng)力重分布的過程。為提高鋼軌在多重載荷下的變形計(jì)算精度，在多尺度模型中采用了改進(jìn)的長鋼軌單元，考慮了單

4、元截面轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)縱橫向位移場的非線性影響。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)循環(huán)載荷下的軌道累積變形的計(jì)算，模型中采用了能夠反映滑動(dòng)工況的非線性連接單元和接觸單元模擬軌道各層次之間的約束關(guān)系。通過與京杭運(yùn)河特大橋和京滬高鐵新汴河大橋過渡段的現(xiàn)場測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了該建模方法的有效性和準(zhǔn)確性。
　　其次，建立了鋼軌縱向應(yīng)力作用下的車輛，軌道耦合動(dòng)態(tài)模型，分析了鋼軌縱向應(yīng)力與車軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。提出了考慮縱向應(yīng)力的鋼軌振動(dòng)微分方程。通過對(duì)軌道模型分段解

5、析再組合求解，率先推導(dǎo)了板式軌道固有振動(dòng)特性關(guān)于鋼軌縱向應(yīng)力的精確解析形式，研究了不同鋼軌縱向應(yīng)力下軌道固有振動(dòng)特性的變化。在翟孫車軌耦合動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，引入修正的軌道振型與頻率，從而計(jì)算出隨鋼軌縱向應(yīng)力變化的車軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通過仿真試驗(yàn)分析了不同車速和不平順條件對(duì)車軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)中鋼軌應(yīng)力特征的影響，為開展基于車軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)的應(yīng)力估計(jì)算法的研究提供理論基礎(chǔ)。
　　最終，在掌握長大線路鋼軌應(yīng)力分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，根據(jù)輪軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)與鋼軌縱

6、向應(yīng)力之間的顯著相關(guān)性，針對(duì)線路中狀態(tài)敏感區(qū)域開展了基于輪軌振動(dòng)響應(yīng)的鋼軌應(yīng)力智能估計(jì)算法研究。提出了基于支持向量機(jī)的應(yīng)力快速分類模型，通過測(cè)量輪軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了車載條件下的鋼軌應(yīng)力快速分類。同時(shí)，針對(duì)強(qiáng)軌道不平順的干擾，提出了基于遺傳算法的應(yīng)力參數(shù)估計(jì)模型。將應(yīng)力求解轉(zhuǎn)化成模型參數(shù)估計(jì)問題，利用應(yīng)力分布的連續(xù)性，提高了估計(jì)算法的計(jì)算效率和準(zhǔn)確性。通過仿真試驗(yàn)分析了這兩種方法的識(shí)別精度和適用條件。
　　研究成果有助于構(gòu)建我國高速