【摘要】：高速鐵路是一個復(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(chǔ)設(shè)施動態(tài)作用加強(qiáng)。我國高鐵大規(guī)模成網(wǎng)運行,線路跨越多個氣候帶,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,建立和完善科學(xué)的線路健康服役狀態(tài)保障體系,對于保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(guān)鍵參數(shù)軌道應(yīng)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(guān)參數(shù)智能估計算法研究。實現(xiàn)了對復(fù)雜路段鋼軌應(yīng)力演化過程模擬,分析了鋼軌應(yīng)力對車軌動態(tài)響應(yīng)的影響,為鋼軌應(yīng)力的檢測與評估提供了理論依據(jù)。首先提出了計算大型結(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,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。對線路重點區(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。對線路中具有結(jié)構(gòu)周期性特點的路段,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,考慮了單元截面轉(zhuǎn)動對縱橫向位移場的非線性影響。同時,為實現(xiàn)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(guān)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(xiàn)場測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,驗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-軌道耦合動態(tài)模型,分析了鋼軌縱向應(yīng)力與車軌動態(tài)響應(yīng)的影響。提出了考慮縱向應(yīng)力的鋼軌振動微分方程。通過對軌道模型分段解析再組合求解,率先推導(dǎo)了板式軌道固有振動特性關(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)力下軌道固有振動特性的變化。在翟孫車軌耦合動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,引入修正的軌道振型與頻率,從而計算出隨鋼軌縱向應(yīng)力變化的車軌動態(tài)響應(yīng)。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(yīng)中鋼軌應(yīng)力特征的影響,為開展基于車軌動態(tài)響應(yīng)的應(yīng)力估計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)輪軌動態(tài)響應(yīng)與鋼軌縱向應(yīng)力之間的顯著相關(guān)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(yīng)的鋼軌應(yīng)力智能估計算法研究。提出了基于支持向量機(jī)的應(yīng)力快速分類模型,通過測量輪軌動態(tài)響應(yīng),實現(xiàn)了車載條件下的鋼軌應(yīng)力快速分類。同時,針對強(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)估計模型。將應(yīng)力求解轉(zhuǎn)化成模型參數(shù)估計問題,利用應(yīng)力分布的連續(xù)性,提高了估計算法的計算效率和準(zhǔn)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(gòu)建我國高速鐵路線路服役狀態(tài)綜合監(jiān)測系統(tǒng),為科學(xué)指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修提供了理論上和方法上的支持。
[Abstract]:High-speed railway is a complex large system, and service performance of train and line infrastructure changes dynamically with long-term operation. As the speed of train operation is greatly improved, the dynamic effect between wheel and rail is increased, resulting in the strengthening of the dynamic role of the infrastructure. China's high-speed railway is running on a large scale, and the line crosses multiple climatic zones, and the service performance is more complex. The decline of service performance of the line infrastructure leads to more bursty and serious potential disease, which greatly affects the operation safety of the line. Grasp the formation and distribution laws of the state parameters of the infrastructure, accurately sense the change trend of the state parameters of the critical section components, establish and perfect the scientific line health service status guarantee system, and have important significance for ensuring the safe and stable operation of the high-speed railway. In order to reflect the critical parameter orbital stress of line safety, this paper presents a study on multi-scale dynamic static modeling of seamless line and related parameter intelligent estimation algorithm, considering the evolution of service state of growth line, considering the slow change of temperature factor and transient effect of vehicle impact. The influence of rail stress on dynamic response of rail is analyzed, and the theory basis is provided for the detection and evaluation of rail stress. First, a gradual homogenization method for calculating the average performance parameters of large structures is put forward, and a multi-scale static model of growth line under the action of diurnal temperature and seasonal temperature is established. According to the structure characteristics of different sections in the circuit, different simulation scales are used to analyze the evolution rules of state parameters in each section. The refined model of retaining critical detail is established by using fine scale in line focus area. In this paper, the average performance of the typical structure is extracted and the macroscopic scale model is established. A multi-scale global line model is formed by the principle of consistent boundary behavior of local models with different scales, and the process of redistribution of line stress caused by local structural changes is simulated. In order to improve the calculation accuracy of the rail under multiple loads, an improved long rail unit is used in the multi-scale model, which takes into account the nonlinear effect of the unit cross-section rotation on the longitudinal and transverse displacement fields. At the same time, in order to calculate the accumulative deformation of the track under cyclic load, the constraint relation between the nonlinear connection unit and the contact unit of the sliding working condition can be reflected in the model. The validity and accuracy of the modeling method are verified by comparing the field measurement data of the transition section of the Beijing-Hangzhou Canal Bridge and the Xinqiao River Bridge of the Beijing-Hangzhou High-speed Railway. Secondly, the dynamic model of vehicle-rail coupling under longitudinal stress of rail is established, and the influence of longitudinal stress on rail and dynamic response of rail is analyzed. The differential equation of rail vibration considering longitudinal stress is presented. In this paper, the exact analytical form of the inherent vibration characteristics of the plate-type track on the longitudinal stress of the rail is derived by analyzing and re-combining the segment analysis of the track model, and the change of the inherent vibration characteristics of the rail under different longitudinal stress of the rail is studied. A modified track mode and frequency are introduced to calculate the dynamic response of the rail with the longitudinal stress of the rail. The influence of different vehicle speed and uneven condition on the rail stress in dynamic response of vehicle rail is analyzed by simulation test, and the theoretical foundation is provided for carrying out the research on the stress estimation algorithm based on the dynamic response of the rail. Finally, the rail stress intelligent estimation algorithm based on wheel-rail vibration response was carried out on the basis of mastering the stress distribution law of the track rail, and based on the significant correlation between wheel-rail dynamic response and longitudinal stress of rail. A rapid classification model of stress based on support vector machine is put forward, and the rail stress fast classification under vehicle-mounted condition is realized by measuring wheel-rail dynamic response. At the same time, the stress parameter estimation model based on genetic algorithm is proposed for the interference of strong orbit irregularity. The stress solution is transformed into the model parameter estimation problem, the continuity of stress distribution is utilized, and the calculation efficiency and accuracy of the estimation algorithm are improved. The recognition precision and applicable condition of these two methods are analyzed by simulation test. The research results help to construct a comprehensive monitoring system for service status of high-speed railway lines in our country, and provide theoretical and methodological support for scientific guidance and maintenance maintenance.
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：U216

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本文編號：2254009