[发明专利]横风作用下运动车辆脉动风速谱和相干函数的分析方法

说明书

本发明公开了一种横风作用下运动车辆脉动风速谱和相干函数的分析方法，涉及行车安全性领域。所述分析方法，抛弃了传统的Taylor“冻结”假设和各向同性湍流假设，仅依靠大气边界层中自然界的固有风场特性来进行分析，通过引入等效风速和等效车速两个参数，可获得作用在运动车辆上的脉动风速谱和脉动风速相干函数，能够满足运动车辆沿任意方向运动时对运动车辆上脉动风速谱和脉动风速相干函数等特性的准确、快速分析，提高了脉动风速谱和脉动风速相干函数等特性分析的准确性。

技术领域

本发明属于行车安全性领域，尤其涉及一种在横风荷载作用下考虑运动车辆气动特性的行车安全性分析方法。

背景技术

当车辆在桥上或路上行驶时，车辆不仅要受到来流平均风速的影响，而且还会受到来流脉动风速的影响。在风-车-桥(线)系统耦合振动分析中，作用在车辆上的脉动风速一般是通过插值或采用离车辆最近的固定风场模拟点处的脉动风速值来代表。由于脉动风速场具有空间相干性，这种人为的插值或取最近模拟点脉动风速值的处理方法并不准确，会导致作用在移动车辆上的脉动风速出现突变，从而不能真实反映车辆在横风作用下的运行性能。随着车辆运行速度越来越快，这种突变效应也就越来越显著。如果要减少插值误差，则需要模拟大量的脉动风速时程点(至少5000个以上，而传统插值法一般最多500个)，这就需要成几何倍数增长的计算资源和计算时间，难以满足计算分析的需要。为了更为准确和快速地模拟横风下作用在移动车辆上的脉动风荷载，并准确评估行车安全性，有必要对移动车辆的脉动风速谱和脉动风速空间相干性的理论模型进行研究。

已有的针对移动车辆在横风作用下的脉动风速谱和相干性模型的研究中，都采用了Taylor“冻结”假设和各向同性湍流假设，例如李小珍，肖军，刘德军，王铭提出的水平横风下的移动车辆脉动风速谱(中国科学:技术科学，2016，46(12):1263-1270.)。众所周知，实际的大气边界层流场是各向异性的，而且Taylor“冻结”假设也很难成立。因此，已有的移动车辆脉动风速谱或脉动风速相干函数的模型准确性有限，对于大气边界层中的运行车辆难以适用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种横风作用下运动车辆脉动风速谱和相干函数的分析方法，该方法打破传统的Taylor“冻结”假设和各向同性湍流假设，通过引入等效风速和等效车速两个参数，能准确地获得车辆在任意方向运动时作用于运动车辆上的脉动风速谱和脉动风速相干函数。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种横风作用下运动车辆脉动风速谱和相干函数的分析方法，包括以下几个步骤：

步骤1：根据作用于运动车辆上的脉动风速时程特点，确定横风风场的等效风速与运动车辆的等效车速；

步骤2：根据运动车辆上某两点的脉动风速值关系，建立运动车辆脉动风速互相关函数的统一分析模型、运动车辆脉动风速自相关函数的统一分析模型以及运动车辆脉动风速谱的统一分析模型；

步骤3：根据所述步骤2中运动车辆脉动风速自相关函数的统一分析模型以及运动车辆脉动风速谱的统一分析模型，获得大气边界层内横风作用下运动车辆的脉动风速谱模型；

步骤4：根据所述步骤2中运动车辆脉动风速互相关函数的统一分析模型和运动车辆脉动风速自相关函数的统一分析模型，获得大气边界层内横风作用下运动车辆的脉动风速相干函数。

本发明所述的分析方法，抛弃了传统的Taylor“冻结”假设和各向同性湍流假设，仅依靠大气边界层中自然界的固有风场特性来进行分析，通过引入等效风速和等效车速两个参数，可获得作用在运动车辆上的脉动风速谱和脉动风速相干函数，能够满足运动车辆沿任意方向运动时对运动车辆上脉动风速谱和脉动风速相干函数等特性的准确、快速分析，提高了脉动风速谱和脉动风速相干函数等特性分析的准确性。

进一步地，所述步骤1中，等效风速与等效车速的计算表达式为：