一种地震下高铁列车行车安全模型试验的分维相似设计方法技术

本发明专利技术公开了一种震时高铁列车桥上行车安全动态模型试验的分维相似设计方法，其特征在于，考虑到车桥系统为长大跨度结构，且纵向与纵断面弱耦合的受力特点，提出试验模型在纵向、纵断面分别取独立几何相似比的分维相似设计方法，并推导了相应的相似设计公式，从而使得地震作用下高速列车桥上行车安全动态模型试验能够在实验室实现，所述方法能够动态复现原型车辆桥上行车工况，同时保证整个试验过程中车桥耦合系统轮轨接触关系的真实性，从而能够获得准确可靠的行车安全试验数据，为地震作用下高铁列车桥上行车安全相关研究提供强有力的试验技术保障。

【技术实现步骤摘要】
一种地震下高铁列车行车安全模型试验的分维相似设计方法
本专利技术涉及一种列车模拟相似设计方法，具体涉及一种地震下高铁列车行车安全模型试验的分维相似设计方法。
技术介绍
我国高速铁路运营面临强地震的潜在危险。高速铁路在全球范围内蓬勃发展，我国高铁运营里程已稳居世界第一，截止目前，“八纵八横”的高速铁路网已初具规模，路网具有等级高、线路密度大、分布广等特点。同时，我国位于环太平洋地震带，地震活动频繁，是地震多发国家。故高铁线路不可避免的会存在跨越地震带或沿着地震带修建等情况，从而导致地震发生时高速列车线上运行的几率大大增加，研究地震作用下高铁列车运营的安全性十分必要。世界范围内较为显著的受地震冲击的高铁危险事件主要是2004年的日本新潟地区上越新干线脱轨事件，6.8级强震导致8节车厢脱离轨道，整车报废，线路停运。目前我国高铁尚未真正意义上遭遇强地震的冲击，真实震害与理论、数值乃至试验的相互印证存在明显的缺陷。实际上，由于地震发生的不可预见性和测试的困难，很难规划何时或如何通过实际震害测到地震下行车的珍贵数据。鉴于现场震害的不可预见性，实验室内试验的重要性则凸显出来，作为理论、数值研究工作的重要印证和补充，高铁建造的基本设施乃至列车的地震下行为需要通过实验室条件下加以详细研究。而由于地震作用时间长，其持续时间往往在10s以上，加之高铁车辆运营速度快，普遍高于250Km/h，此时需要足够长的线路结构来支撑车辆运行，如果要进行实验室试验，往往需要缩尺比很小；另外一边，轮轨接触关系的复杂性要求模型缩尺比不能太小，否则可能使得模拟严重失真，两者相互制约和矛盾。目前相关的试验方法和设备系统仍有巨大欠缺，相关研究严重滞后，具体体现为试验方法的不成熟、全国范围内尚无专门实现此类试验的设备系统。因此，研究适用于高速铁路列车动态模拟试验的相似设计方法意义重大。基于此，本专利技术提出了一种地震下高铁列车行车安全模型试验的分维相似设计方法，所述方法能够动态复现原型车辆线上行车工况，又保证了整个车线耦合系统轮轨接触关系的真实性，从而能够获得准确可靠的试验数据，为地震下高铁列车线上行车安全相关研究提供强有力的试验技术保障。所述动态模型试验分维相似设计方法可为国内外相关系统建设提供理论依据及技术参考。
技术实现思路
针对现有技术问题，本专利技术的目的在于提供一种地震下高铁列车行车安全动态模型试验分维相似设计方法，能够有效的复现原型车辆桥上行车工况，保证轮轨接触关系的准确和真实性，从而能够获得足够多的有效的试验信息及试验数据，为地震下开展高铁列车行车安全相关研究提供技术保障。本专利技术的技术方案为：由车桥耦合振动理论及实践表明，车桥耦合系统纵向受力与纵断面受力为弱耦合，而对行车安全影响较大的为纵断面受力，因而可将模型纵断面及纵向几何相似比分开考虑，纵断面定为几何主相似比，纵向定为几何次相似比。车桥耦合振动缩尺试验模拟的另一个关键点和难点是轮轨关系的等效，附图1为轮轨接触关系计算流程图，由图可知，轮轨接触几何关系是整个计算的核心，其确定了后续的接触参数和蠕滑系数，一种地震下高铁列车行车安全动态模型试验分维相似设计方法，步骤如下：步骤(1)根据实验室条件和当前的制作工艺确定车桥耦合系统纵断面的几何相似比SSL(主相似比)，以能保证准确复现系统轮轨接触关系为基本准则；步骤(2)根据实验室场地的有效特征尺寸Llab，试验原型车辆可能达到的最大行车速度值以及有效行车时长三者来确定车桥耦合系统纵向最小几何相似常数SLL(次相似比)，其应有上标p分别表示原型结构，有效特征尺寸Llab指能够用于观测的模型试验段长度，有效行车时长指原型结构中可用于观测的车辆行驶时间长度，因为地震波持时往往较长，通常在10s以上，完全观测需要更长更多的桥跨支撑结构，势必会增加台上模型重量，因此往往观测地震主波时的地震响应，其时长因地震波不同而不同，通常在5s左右；步骤(3)初步确定弹性模型相似比SE以及加速度相似比Sa，弹性模量相似比其可选择性往往比较窄，因为不一定能够在市面上找到相对应的合适材料，通常先选定模型材料再确定SE，加速度相似比应该尽量接近1，即能复现和靠近重力加速度值，避免重力失真；步骤(4)根据地震振动台试验相似设计准则，确定其余相关的相似常数，比较关注的通常有质量相似比SM，其决定了模总重，等效密度相似比Sρ，其决定了需要施加的配重，另外还有时间及频率相似比，其要求模型前几阶频率在振动台性能范围内；步骤(5)根据振动台设备相关性能验算及调整相关相似比，主要考虑振动台设备的最大承载能力、最大倾覆力矩、以及振动台的有效工作频率范围，验算中要求设计的模型均不能超过相应限制，如果超出范围则应该调整相关相似比，调整的顺序优先考虑加速度相似比Sa和模型材料相似比SE，其次是纵向几何相似比SLL，最后才是纵断面几何相似比SSL；如果远小于设备性能范围，则可适当增大相关设计相似比，其调整顺序优先考虑纵断面几何相似常数；优选地，在车桥耦合模型分维相似设计中，轮轨接触关系是车桥耦合系统振动台试验模拟的关键点和难点，其包括轮轨接触几何关系和轮轨接触力关系，轮轨接触几何关系是后续轮轨接触力及耦合系统动力计算的起点，其包括轮轨接触点及接触参数的确定，步骤(1)中所述的几何主相似比SSL主要控制轮轨模拟的精度，间接控制整个试验的精度，其应该有相应的下限值，下限值受实验室条件及制作工艺限制，实验室条件好、制作工艺高时其下限值可适当取小点，其基本准则以能准确复现轮轨接触关系为判断标准，能准确复现轮轨关系要求尽量保证模型与原型在物理参数上的相似性，并要求车辆轮对踏面曲线以及钢轨轨头曲线缩尺后保持物理形状相似。优选地，在车桥耦合模型分维相似设计中，由理论及实践可知，只研究行车安全情况下，车桥耦合系统具有纵向和纵断面为弱耦合的受力特点，在直线轨道上，单节车辆纵向长度不影响车辆动力性能；而钢轨为拉伸体，纵向无限延伸，纵向缩尺可认为对其无影响；如果只关注桥上行车安全的话，此时桥梁变成次要结构，桥梁在车辆荷载下跨中挠度通常在2mm～3mm，且变形为桥跨长波长，对车辆轨道不平顺的影响是整体抬升或降低，可以暂时不考虑，主要是考虑地震作用力的问题，因而纵向缩尺后可认为对整体试验性能影响不大。因而考虑车桥耦合系统线性结构的特点，可将纵向几何相似比单独设成变量。优选地，在车桥耦合模型分维相似设计中，步骤(2)所取的车桥耦合系统几何次相似比SLL为纵向相似比，主要控制模型的重量及试验段长度，其能保证轮对与桥梁结构作用点位置不变的情况下，减轻模型重量，SLL取值除考虑观测时间限制的要求外，还应考虑线下桥梁结构的力学性能要求，桥梁结构为抗弯为主的结构，纵向大缩尺后，模型结构变得更短，此时为了保证缩尺后模型与原型结构受力等效，应该减小桥梁配筋，使得模型和原型结构在荷载作用下变形满足相应相似比要求。优选地，在车桥耦合模型分维相似设计中，步骤(1)、(2)中通常要求几何主相似比大于次相似比，SSL≥SLL，即要求沿线路走向缩尺更大，此时体现出分维相似设计的优势，能够将长跨及多跨线性结构缩尺后上台进行试验，当SLL＝SSL时退化成常规动力相似设计。优选地，在车桥耦合模型分维相似设计中，步骤(3)中加速度相似比应取1:1，对于行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地震下高铁列车桥上行车安全模型试验的分维相似设计方法，其特征在于，步骤如下：步骤(1)根据实验室条件和当前的制作工艺确定车桥耦合系统纵断面的几何相似比SSL(主相似比)，以能保证准确复现系统轮轨接触关系为基本准则；步骤(2)根据实验室场地的有效特征尺寸Llab，试验原型车辆可能达到的最大行车速度值

【技术特征摘要】
1.一种地震下高铁列车桥上行车安全模型试验的分维相似设计方法，其特征在于，步骤如下：步骤(1)根据实验室条件和当前的制作工艺确定车桥耦合系统纵断面的几何相似比SSL(主相似比)，以能保证准确复现系统轮轨接触关系为基本准则；步骤(2)根据实验室场地的有效特征尺寸Llab，试验原型车辆可能达到的最大行车速度值以及有效行车时长Tep三者来确定车桥耦合系统纵向最小几何相似常数SLL(次相似比)，其应有上标p分别表示原型结构，有效特征尺寸Llab指能够用于观测的模型试验段长度，有效行车时长Tep指原型结构中可用于观测的车辆行驶时间长度，因为地震波持时往往较长，通常在10s以上，完全观测需要更长更多的桥跨支撑结构，势必会增加台上模型重量，因此往往观测地震主波时的地震响应，其时长因地震波不同而不同，通常在5s左右；步骤(3)初步确定弹性模型相似比SE以及加速度相似比Sa，弹性模量相似比其可选择性往往比较窄，因为不一定能够在市面上找到相对应的合适材料，通常先选定模型材料再确定SE，加速度相似比应该尽量接近1，即能复现和靠近重力加速度值，避免重力失真；步骤(4)根据地震振动台试验相似设计准则，确定其余相关的相似常数，比较关注的通常有质量相似比SM，其决定了模总重，等效密度相似比Sρ，其决定了需要施加的配重，另外还有时间及频率相似比，其要求模型前几阶频率在振动台性能范围内；步骤(5)根据振动台设备相关性能验算及调整相关相似比，主要考虑振动台设备的最大承载能力、最大倾覆力矩、以及振动台的有效工作频率范围，验算中要求设计的模型均不能超过相应限制，如果超出范围则应该调整相关相似比，调整的顺序优先考虑加速度相似比Sa和模型材料相似比SE，其次是纵向几何相似比SLL，最后才是纵断面几何相似比SSL；如果远小于设备性能范围，则可适当增大相关设计相似比，其调整顺序优先考虑纵断面几何相似常数。2.根据权利要求1所述的一种地震下高铁列车桥上行车安全模型试验的分维相似设计方法，其特征在于：轮轨接触关系是车桥耦合系统振动台试验模拟的关键点和难点，其包括轮轨接触几何关系和轮轨接触力关系，轮轨接触几何关系是后续轮轨接触力及耦合系统动力计算的起点，其包括轮轨接触点及接触参数的确定，步骤(1)中所述的几何主相似比SSL主要控制轮轨模拟的精度，间接控制整个试验的精度，其应该有相应的下限值，下限值受实验室条件及制作工艺限制，实验室条件好、制作工艺高时其下限值可适当取小点，其基本准则以能准确复现轮轨接触关系为判断标准，能准确复现轮轨关系要求尽量保证模型与原型在物理参数上的相似性，并要求车辆轮对踏面曲线以及钢轨轨头曲线缩尺后保持物理形状相似。3.根据权利要求1所述的一种地震下高铁列车桥上行车安全模型试验的分维相似设计方法，其特征在于：由理论及实践可知，只研究行车安全情况下，车桥耦合系统具有纵向和纵断面为弱耦合的受力特点，在直线轨道上，单节车辆纵向长度不影响车辆动力性能；而钢轨为拉伸体，纵向无限延伸，纵向缩尺可认为对其无影响；如果只关注桥上行车安全的话，此时桥梁变成次要结构，桥梁在车辆荷载下跨中挠度通常在2mm～3mm，且变形为桥跨长波长，对车辆轨道不平顺的影响是整体抬升或降低，可以暂时不考虑，主要是考虑地震作用力的问题，因而纵向缩尺后可认为对整体试验性能影响不大。因而考虑车桥耦合系统线性结构的特点，可将纵向几何相似比单独设成变量。4.根据权利要求1、3所述的一种地震下高铁列车桥上行车安全模型试验的分维相似设计方法，其特征在于：步骤(2)所取的车桥耦合系统几何次相似比SLL为纵向相似比，主要控制模型的重量及试验段长度，其能保证轮对与桥梁结构作用点位置不变的情况下，减轻模型重量，SLL取值除考虑观测时间限制的要求外，还应考虑线下桥梁结构的力学性能要求，桥梁结构为抗弯为主的结构，纵向大缩尺后，模型结构变得更短，此时为了保证缩尺后模型与原型结构受力等效，应该减小桥梁配筋，使得模型和原型结构在荷载作用下变形满足相应相似比要求。5.根据权利要求1所述的一种地震下高铁列车桥上行车安全模型试验的分维相似设计方法，其特征在于：步骤(1)、(2)中通常要求几何主相似比大于次相似比，SSL≥SLL，即要求沿线路走向缩尺更大，此时体现出分维相似设计的优势，能够将长跨及多跨线性结构缩尺后上台进行试验，当SLL＝SS...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘汉云，余志武，国巍，蒋丽忠，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43