長大線路服役狀態(tài)演化模型及關鍵參數估計算法研究.pdf

1、高速鐵路是一個復雜的大系統，列車與線路基礎設施的服役性能隨著長期運營不斷發(fā)生動態(tài)變化。由于列車運行速度大幅提高，輪軌之間動力作用加大，造成對基礎設施動態(tài)作用加強。我國高鐵大規(guī)模成網運行，線路跨越多個氣候帶，服役性能的演變更加復雜。線路基礎設施服役性能下降導致潛在病害更具突發(fā)性和嚴重性，極大的影響著線路的運行安全。掌握基礎設施狀態(tài)參數的形成和分布規(guī)律，準確感知關鍵路段部件狀態(tài)參數的變化趨勢，建立和完善科學的線路健康服役狀態(tài)保障體系，對于保

2、證高速鐵路安全平穩(wěn)運行具有重要意義。
　　以反映線路安全的關鍵參數軌道應力為切入點，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靜態(tài)建模以及相關參數智能估計算法研究。實現了對復雜路段鋼軌應力演化過程模擬，分析了鋼軌應力對車軌動態(tài)響應的影響，為鋼軌應力的檢測與評估提供了理論依據。
　　首先提出了計算大型結構平均性能參數的漸進均勻化方法，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。根據線路中不同區(qū)段的結構特點，采用不同的仿真尺度，分析了各區(qū)段線路狀態(tài)參數的演變規(guī)律。對線路重點區(qū)域，采用細尺度建立了保留關鍵細節(jié)的精細化模型。對線路中具有結構周期性特點的路段，提取其典型結構的平均性能，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，模擬了由局部結構變化引起的線路應力重分布的過程。為提高鋼軌在多重載荷下的變形計算精度，在多尺度模型中采用了改進的長鋼軌單元，考慮了單

4、元截面轉動對縱橫向位移場的非線性影響。同時，為實現循環(huán)載荷下的軌道累積變形的計算，模型中采用了能夠反映滑動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系。通過與京杭運河特大橋和京滬高鐵新汴河大橋過渡段的現場測量數據進行對比分析，驗證了該建模方法的有效性和準確性。
　　其次，建立了鋼軌縱向應力作用下的車輛，軌道耦合動態(tài)模型，分析了鋼軌縱向應力與車軌動態(tài)響應的影響。提出了考慮縱向應力的鋼軌振動微分方程。通過對軌道模型分段解

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

6、向應力之間的顯著相關性，針對線路中狀態(tài)敏感區(qū)域開展了基于輪軌振動響應的鋼軌應力智能估計算法研究。提出了基于支持向量機的應力快速分類模型，通過測量輪軌動態(tài)響應，實現了車載條件下的鋼軌應力快速分類。同時，針對強軌道不平順的干擾，提出了基于遺傳算法的應力參數估計模型。將應力求解轉化成模型參數估計問題，利用應力分布的連續(xù)性，提高了估計算法的計算效率和準確性。通過仿真試驗分析了這兩種方法的識別精度和適用條件。
　　研究成果有助于構建我國高速