[发明专利]一种高效求解高速列车过桥振动随机特性的分析方法

说明书

本发明公开一种高效求解高速列车过桥振动随机特性的分析方法，将虚拟激励算法与自适应高斯积分技术相结合，自适应地识别出来随机激励对耦合系统具有关键性影响的频率区间段，并且智能化地细化关键性频率区间段以及粗画或摒弃非关键性频率区间，基于智能化处理后的频率区间段，寻找对应的频率点，代入车—桥系统耦合振动进行计算；基于各频点所得动态响应，运用高斯积分求得具有统计性及随机特性的计算结果，并且运用Monte Carlo方法对计算结果进行验证。本发明的方法有效的减少了计算成本，提高了计算效率。

技术领域

本发明涉及高速列车运行安全技术领域，具体为一种高效求解高速列车过桥振动随机特 性的分析方法。

背景技术

1964年日本建成了世界上第一条列车时速超过200公里的高速铁路，标志着现代高速铁 路时代的来临。随后，法国、德国和中国修建了大量的高速铁路，并取得了较好的经济效益 和社会效益。2008年京津城际铁路正式通车，这预示着我国高速铁路时代正式开启。随着高 速铁路趋于高速化和轻型化的发展，为保证列车高速运行的安全性、稳定性和乘客舒适性， 必须确保线路的高平顺性、稳定性及可靠性，因此高速铁路线路多采用桥梁结构代替常规的 路基结构。桥梁所占比例日益增大，长大跨度桥梁数量与日俱增。例如，京沪高速铁路中桥 梁总里程占据总里程数的80.5％。因此，在高铁工程建设中，桥梁结构被广泛的应用，车—桥 系统耦合振动的随机特性研究具有较广泛的应用前景。

由于轨道不平顺、机车车辆质量的不完全对中以及轮轨缺陷等因素，车辆与桥梁结构之 间具有自激特性，列车在桥梁结构上运行过程中，车辆与桥梁会发生相互作用，引起耦合振 动。轨道不平顺是车—桥耦合系统振动的主要激励源，轨道不平顺存在随机特性，车—桥系 统的耦合振动势必会体现出随机特性。以相同初始条件对车辆过桥的全过程进行多次独立的 数值模拟时，车辆和桥梁结构的动态响应结果具有较强的离散性。车辆上桥前的初始振动同 样具有很强的随机性，可作为随机变量，已有研究表明该部分振动对桥梁结构冲击系数的影 响达到40％左右。此外，桥梁结构和车辆结构的结构参数均具有一定的随机特性，也可看作 为随机变量。针对车—桥耦合系统随机响应，应采用随机振动理论，从概率和统计的角度， 对随机激励作用下的耦合系统的稳定性以及可靠性进行求解，并得到具有统计性的结果。

当以相同初始条件对车辆过桥的全过程进行多次独立的数值模拟时，车辆和桥梁结构的 动态响应结果呈现出较强的离散性，需要在随机振动理论框架下对车—桥系统耦合振动的随 机特性进行研究。传统的Monte Carlo方法是以概率统计理论为基础的一种重要的数值计算方 法，适用于车—桥耦合系统响应随机特性的模拟分析，但是需要大量的样本计算用于保证计 算结果的可靠性，计算成本过高，计算效率较低。虚拟激励算法能够有效地求解了耦合系统 随机振动的问题。但是，随着科学研究及工程技术的不断进步，车辆和桥梁结构趋于精细化 和复杂化，车—桥耦合系统的频率响应范围逐渐加宽，若仍采用常规积分形式与虚拟激励算 法相结合来分析系统响应的随机特性，会导致所需要计算的随机激励的离散频点数量过多， 计算工作量仍然较大。如果单纯为了提高计算效率而减少离散频点数，则很容易遗漏关键频 率点，导致计算结果无法满足精度要求。

到目前为止，诸多学者采用了虚拟激励算法对在不同类型随机激励作用下的车—桥耦合 系统的随机振动问题进行了研究，并取得了丰硕的成果。然而，车—桥耦合系统的参数矩阵 将会随着车辆在桥梁运行的位置不同而发生变化，只能够通过时域求解方法对动态响应进行 计算，进而在随机振动理论框架中分析系统耦合振动随机特性。随着桥梁结构复杂化和跨度 不断增大以及车辆模型精细化，耦合系统的激振频率区间变宽，计算频率点数增多，导致了 计算时间较长，计算效率不高。因此，在保证高计算精度要求下，急需发展能够进一步提高 车—桥系统耦合振动的随机特性计算效率的优化方法