[发明专利]一种基于振型叠加法的过桥列车倾覆危险性评价方法

说明书

本发明公开了一种基于振型叠加法的过桥列车倾覆危险性评价方法，其包括：建立车辆系统运动方程、基于振型叠加法建立桥梁系统运动方程、建立简化的轮轨接触模型、建立车—桥系统整体运动方程。基于简化的轮轨接触模型，避免了迭代求解轮轨相互作用力，为组合车辆系统、桥梁系统的运动方程提供了基础；车—桥系统整体运动方程避免了分离迭代求解车辆系统、桥梁系统运动方程，实现了车辆、桥梁响应的同步求解，提高了车—桥系统响应计算效率。本发明有效减少了横向风作用下车—桥系统响应分析的计算量，能够快速评价过桥列车的倾覆危险性。

技术领域

本发明涉及高速列车运行安全性分析技术领域，具体为一种基于振型叠加法的过桥列车倾覆危险性评价方法。

背景技术

近十年来，高速列车因其运行速度快、准点率高、舒适度高以及节能、环保等优点，在全世界范围内得到了快速发展，中国高速铁路建设更是处于世界领先水平。伴随着我国西部大开发战略的实施，为促进我国中部、西部地区经济的发展，加强东部、西部地区的联系，国家在西部山区重点规划建设了多条高速铁路，如长昆客专、成渝客专、西成客专等。西部山区地形特点多异，山丘起伏，沟壑纵横，山高壁陡，河谷深切，复杂的地形地貌使空气流动变得更为复杂，峡谷阵风强烈，紊流强度大，对行车安全性的影响不容忽视。沿海地区为加强区域各城市之间的联系，一方面将重点建设沿海高速、快速铁路，如厦深铁路、海南西环铁路；另一方面将大力建设区域城际快速铁路。东部沿海地区地势平坦空旷，由于海陆之间动力和热力差异，边界层风场的变化规律比较复杂，海风影响强烈，地区平均风速较大，强风天气常年多见，夏季经常遭受台风侵袭，冬春主要受强季风控制。陆海大气系统相互作用关系复杂，强风风速高、中低风速频发，经常导致列车停运或限速。我国幅员辽阔，高速列车常需要跨越江河，并且为了满足线路的平直要求以及降低高速铁路的建设成本，桥梁成为高速铁路的一种主要承载结构。因此，横向风作用下过桥列车的倾覆危险性问题在我国高速铁路建设中不容忽视。

横向风作用下车—桥系统的动力响应十分复杂，整个系统可以看作是风—桥系统和车—桥系统的组合。风荷载、列车荷载会引起桥梁结构的振动，反过来，桥梁的振动又会影响桥上列车的行驶安全性。车一桥系统振动是固体间的接触耦合振动，将列车和桥梁看作两个子系统，通过轮轨和桥梁间的几何位移关系和相互作用力建立耦合关系，然后在时域中进行迭代求解，最终计算出每个时刻下车—桥系统的响应。

已有研究中，将横向风作用下的车—桥系统作为一个复杂的大系统，精细化地考虑了列车模型、桥梁模型，以及轮轨接触关系，建立的车—桥系统运动方程复杂，且计算过程相当耗时。然而，横向风作用下列车倾覆的评判标准是轮重减载率是否超过限值，轮重减载率的计算对列车模型、轮轨接触关系的复杂度是不敏感的。因此，可以简化轮轨接触关系，降低车—桥系统运动方程的复杂度，以减少横向风作用下车—桥系统响应分析的计算量，快速评价过桥列车的倾覆危险性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够避免复杂的轮轨接触力迭代计算，并减少过桥列车响应分析的计算量，快速评价横向风作用下过桥列车的倾覆危险性的基于振型叠加法的过桥列车倾覆危险性评价方法。技术方案如下：

一种基于振型叠加法的过桥列车倾覆危险性评价方法，包括以下步骤：

步骤1：基于由1个车体、2个转向架组成的列车模型，根据受力平衡条件，分别建立车体、转向架的运动方程，组合得到列车系统的运动方程：

式中：M_v、C_v、K_v分别为列车的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；Y_v为列车位移响应向量；F_vt为作用在转向架上的轨道不平顺荷载向量；F_vw、分别为作用在车体上的脉动风荷载、静风荷载向量；

步骤2：基于振型叠加法，建立桥梁系统运动方程：