长大线路服役状态演化模型及关键参数估计算法研究

摘要

高速铁路是一个复杂的大系统，列车与线路基础设施的服役性能随着长期运营不断发生动态变化。由于列车运行速度大幅提高，轮轨之间动力作用加大，造成对基础设施动态作用加强。我国高铁大规模成网运行，线路跨越多个气候带，服役性能的演变更加复杂。线路基础设施服役性能下降导致潜在病害更具突发性和严重性，极大的影响着线路的运行安全。掌握基础设施状态参数的形成和分布规律，准确感知关键路段部件状态参数的变化趋势，建立和完善科学的线路健康服役状态保障体系，对于保证高速铁路安全平稳运行具有重要意义。
　　以反映线路安全的关键参数轨道应力为切入点，围绕长大线路服役状态演化过程，考虑温度因素的缓变作用和车辆冲击的瞬态作用，论文开展了无缝线路多尺度动静态建模以及相关参数智能估计算法研究。实现了对复杂路段钢轨应力演化过程模拟，分析了钢轨应力对车轨动态响应的影响，为钢轨应力的检测与评估提供了理论依据。
　　首先提出了计算大型结构平均性能参数的渐进均匀化方法，建立了昼夜及季节温度变化作用下的长大线路多尺度静态模型。根据线路中不同区段的结构特点，采用不同的仿真尺度，分析了各区段线路状态参数的演变规律。对线路重点区域，采用细尺度建立了保留关键细节的精细化模型。对线路中具有结构周期性特点的路段，提取其典型结构的平均性能，建立了宏观尺度模型。将不同尺度局部模型按边界行为一致的原则，组成多尺度整体线路模型，模拟了由局部结构变化引起的线路应力重分布的过程。为提高钢轨在多重载荷下的变形计算精度，在多尺度模型中采用了改进的长钢轨单元，考虑了单元截面转动对纵横向位移场的非线性影响。同时，为实现循环载荷下的轨道累积变形的计算，模型中采用了能够反映滑动工况的非线性连接单元和接触单元模拟轨道各层次之间的约束关系。通过与京杭运河特大桥和京沪高铁新汴河大桥过渡段的现场测量数据进行对比分析，验证了该建模方法的有效性和准确性。
　　其次，建立了钢轨纵向应力作用下的车辆，轨道耦合动态模型，分析了钢轨纵向应力与车轨动态响应的影响。提出了考虑纵向应力的钢轨振动微分方程。通过对轨道模型分段解析再组合求解，率先推导了板式轨道固有振动特性关于钢轨纵向应力的精确解析形式，研究了不同钢轨纵向应力下轨道固有振动特性的变化。在翟孙车轨耦合动力学模型的基础上，引入修正的轨道振型与频率，从而计算出随钢轨纵向应力变化的车轨动态响应。通过仿真试验分析了不同车速和不平顺条件对车轨动态响应中钢轨应力特征的影响，为开展基于车轨动态响应的应力估计算法的研究提供理论基础。
　　最终，在掌握长大线路钢轨应力分布规律的基础上，根据轮轨动态响应与钢轨纵向应力之间的显著相关性，针对线路中状态敏感区域开展了基于轮轨振动响应的钢轨应力智能估计算法研究。提出了基于支持向量机的应力快速分类模型，通过测量轮轨动态响应，实现了车载条件下的钢轨应力快速分类。同时，针对强轨道不平顺的干扰，提出了基于遗传算法的应力参数估计模型。将应力求解转化成模型参数估计问题，利用应力分布的连续性，提高了估计算法的计算效率和准确性。通过仿真试验分析了这两种方法的识别精度和适用条件。
　　研究成果有助于构建我国高速铁路线路服役状态综合监测系统，为科学指导养护维修提供了理论上和方法上的支持。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 选题背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 桥上无缝线路模型的发展

1．2．2 多尺度建模理论的应用

1．2．3 现有的钢轨应力无损检测技术

1．3 论文主要研究内容与章节安排

2 长大线路多尺度模型与应力分布规律的分析

2．1 桥梁轨道结构的局部有限元模型

2．1．1 长钢轨单元的位移场

2．1．2 连接件的非线性模拟

2．1．3 轨道垂向梯度温度载荷

2．1．4 基于子结构的轨道桥有限元方程建立

2．2 基于均匀化理论的长线路宏观模型

2．2．1 基于均匀化理论的典型结构等效性能计算

2．2．2 宏观单元的内部参数计算

2．2．3 不同尺度局部模型间界面约束条件

2．3 基于多尺度线路模型进行应力计算的数值方法

2．3．1 计算方法

2．3．2 仿真算例

2．4 仿真结果与试验结果对比分析

2．4．1 特大桥的仿真结果与试验结果对比分析

2．4．2 过渡段的仿真结果与试验结果对比分析

2．4．2 长期测试数据分析

2．5 本章小结

3 考虑钢轨纵向应力作用下的车辆轨道耦合动力学模型与响应分析

3．1 钢轨纵向应力影响下板式轨道模型的振动特性

3．1．1 板式轨道的固有特性的计算

3．1．2 轨道在不同纵向力下的模态分析

3．2 钢轨纵向应力影响下车轨耦合动力学模型

3．2．1 考虑钢轨纵向应力的车轨耦合系统建模

3．2．2 与传统动力学模型的仿真结果对比

3．3 钢轨纵向应力影响下车轨动态响应分析

3．3．1 不同纵向应力下的车轨动态响应

3．3．2 轨道不平顺对纵向应力下车轨动态响应的影响

3．3．3 车速对纵向应力下车轨动态响应的影响

3．4 本章小结

4 基于车轨动态响应的钢轨应力智能识别算法

4．1 基于支持向量机的应力快速分类模型

4．1．1 支持向量机的基本理论

4．1．2 基于支持向量机的钢轨应力分类方法

4．1．3 试验与结果分析

4．2 基于遗传算法的应力参数估计模型

4．2．1 遗传算法的基本理论

4．2．2 基于微种群遗传算法的钢轨应力估计原理

4．2．3 强不平顺干扰下的钢轨应力估计结果

4．3 本章小结

5 总结与展望

5．1 论文的主要创新点

5．2 研究工作展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集