一種基于車(chē)線系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的高速鐵路線路設(shè)計(jì)與評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鐵路工程技術(shù)領(lǐng)域；特別是涉及一種基于車(chē)線系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的高速鐵路 線路設(shè)計(jì)與評(píng)估方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高速鐵路運(yùn)營(yíng)速度大幅提高，列車(chē)與線路之間的動(dòng)力相互作用顯著增強(qiáng)。運(yùn)營(yíng)實(shí) 踐表明，高速列車(chē)振動(dòng)衰減周期較長(zhǎng)，振動(dòng)的疊加對(duì)舒適性的影響顯著，高平順條件下線形 變化引起的低頻振動(dòng)成為影響旅客乘坐舒適性的主要因素之一。高速鐵路線路線形參數(shù)的 合理取值以及線形評(píng)價(jià)與優(yōu)化已成為急待解決的重要課題。
[0003] 長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)鐵路線路設(shè)計(jì)參數(shù)的確定采用準(zhǔn)靜態(tài)方法。該方法將列車(chē)簡(jiǎn)化為 一質(zhì)點(diǎn)或剛體沿剛性軌道上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行受力分析，經(jīng)計(jì)算，再對(duì)曲線上的未平衡加速度及其 時(shí)變率等舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而確定線路平縱斷面參數(shù)的取值標(biāo)準(zhǔn)。該方法忽略 了車(chē)輛、線路結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力相互作用的影響；不能準(zhǔn)確分析線路參數(shù)對(duì)列車(chē)高速行車(chē)條件 下的行車(chē)安全性和乘坐舒適性；并不能評(píng)價(jià)線路縱向線形之間的影響，無(wú)法評(píng)價(jià)整體的線 路線形方案。因此，該方法有很大的局限性。
[0004] 國(guó)內(nèi)外，鐵道車(chē)輛一軌道/橋梁系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)一直是鐵道工程領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)問(wèn) 題，取得了很大發(fā)展，在高速鐵路軌道、橋梁、路基等線路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和檢測(cè)中得到了廣泛 應(yīng)用和發(fā)展，取得了較好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)始逐步將車(chē)輛一線路系統(tǒng)動(dòng) 力學(xué)理論與方法應(yīng)用于線路線形的研宄中，取得了一些成果。
[0005] 現(xiàn)有的基于車(chē)輛一線路系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)線路線形研宄大多集中于動(dòng)力學(xué)模型的建立 和優(yōu)化，對(duì)適用于線形動(dòng)力分析的乘坐舒適性評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)研宄較少，通常采用軌道、橋 梁等結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)。然而，線路線形引起的系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題與線下結(jié) 構(gòu)引起的有很大的不同，一是產(chǎn)生的振動(dòng)主要在低頻范圍內(nèi)，高速行車(chē)條件下，相鄰線形產(chǎn) 生的振動(dòng)類似于長(zhǎng)波不平順的激勵(lì)，二是對(duì)振動(dòng)的分析，從單純的幅值等考慮，難以區(qū)分線 形的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種基于能夠較為客觀地反映不同線路條件 對(duì)高速列車(chē)乘坐舒適性影響的線路設(shè)計(jì)與評(píng)估方法，以及根據(jù)所述方法設(shè)計(jì)的高速鐵路結(jié) 構(gòu)。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0008] 一種基于車(chē)線系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的高速鐵路線路設(shè)計(jì)與評(píng)估方法，所述高速鐵路線路包 括軌道及其支撐結(jié)構(gòu)，所述高速鐵路線路線形由軌道及其支撐結(jié)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)形成，包括 平面直線、圓曲線和緩和曲線以及縱斷面坡段和豎曲線等，其特征在于，所述線路線形的設(shè) 計(jì)方案采用以下方法設(shè)計(jì)；
[0009] A.線路線形初步設(shè)計(jì)方案由平面直線、圓曲線、緩和曲線及縱斷面坡段、豎曲線等 連續(xù)組合而成，根據(jù)車(chē)輛構(gòu)件參數(shù)、軌道及其支撐結(jié)構(gòu)的參數(shù)及直線、圓曲線、緩和曲線等 線形特征參數(shù)，建立車(chē)輛一線路系統(tǒng)動(dòng)力分析模型，將多套初步設(shè)計(jì)方案的車(chē)輛構(gòu)件參數(shù)、 軌道及其支撐結(jié)構(gòu)的參數(shù)及直線、圓曲線、緩和曲線等線形特征參數(shù)作為模型計(jì)算條件，取 得列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中的系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)，其中所述多套初步設(shè)計(jì)方案體現(xiàn)不同的軌道及其支 撐結(jié)構(gòu)的參數(shù)及直線、圓曲線、緩和曲線等線形特征參數(shù)的組合，并且所述多套初步設(shè)計(jì)方 案中的參數(shù)至少有兩個(gè)互不相同；
[0010] B.根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)優(yōu)化線路方案中的線形方案設(shè)計(jì)：
[0011] B-L采用IS02631中的運(yùn)動(dòng)病評(píng)價(jià)方法，對(duì)步驟A的多套初步設(shè)計(jì)方案，使用步驟 A的車(chē)輛一線路系統(tǒng)動(dòng)力分析模型，計(jì)算得到車(chē)輛動(dòng)力響應(yīng)中0· 02Hz-4Hz頻段范圍內(nèi)的車(chē) 體振動(dòng)加速度，根據(jù)IS02631中頻率加權(quán)曲線進(jìn)行加權(quán)求得車(chē)體振動(dòng)加速度均方根，作為 運(yùn)動(dòng)病評(píng)價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)；采用基于IS02631中的舒適度評(píng)價(jià)方法，對(duì)步驟A的多套初步設(shè)計(jì)方 案，使用步驟A的車(chē)輛一線路系統(tǒng)動(dòng)力分析模型，計(jì)算得到車(chē)輛動(dòng)力響應(yīng)中0· 5Hz-80Hz頻 段范圍內(nèi)的車(chē)體振動(dòng)加速度，根據(jù)IS02631中頻率加權(quán)曲線進(jìn)行加權(quán)求得車(chē)體振動(dòng)加速度 均方根，作為舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)；并將步驟A中計(jì)算得到車(chē)輛動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行頻數(shù)分布統(tǒng) 計(jì)和累積頻數(shù)分布統(tǒng)計(jì)；
[0012] 其中車(chē)體振動(dòng)加速度均方根Anns可由下式計(jì)算：
[0013]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于車(chē)線系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的高速鐵路線路設(shè)計(jì)與評(píng)估方法，所述高速鐵路線路包括 軌道及其支撐結(jié)構(gòu)，所述高速鐵路線路線形由軌道及其支撐結(jié)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)形成，包括平 面直線、圓曲線和緩和曲線以及縱斷面坡段和豎曲線等，其特征在于，所述線路線形的設(shè)計(jì) 方案采用以下方法設(shè)計(jì)； A. 線路線形初步設(shè)計(jì)方案由平面直線、圓曲線、緩和曲線及縱斷面坡段、豎曲線等連續(xù) 組合而成，根據(jù)車(chē)輛構(gòu)件參數(shù)、軌道及其支撐結(jié)構(gòu)的參數(shù)及直線、圓曲線、緩和曲線等線形 特征參數(shù)，建立車(chē)輛一線路系統(tǒng)動(dòng)力分析模型，將多套初步設(shè)計(jì)方案的車(chē)輛構(gòu)件參數(shù)、軌道 及其支撐結(jié)構(gòu)的參數(shù)及直線、圓曲線、緩和曲線等線形特征參數(shù)作為模型計(jì)算條件，取得列 車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中的系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)，其中所述多套初步設(shè)計(jì)方案體現(xiàn)不同的軌道及其支撐結(jié) 構(gòu)的參數(shù)及直線、圓曲線、緩和曲線等線形特征參數(shù)的組合，并且所述多套初步設(shè)計(jì)方案中 的參數(shù)至少有兩個(gè)互不相同； B. 根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)優(yōu)化線路方案中的線形方案設(shè)計(jì)： B-1.采用IS02631中的運(yùn)動(dòng)病評(píng)價(jià)方法，對(duì)步驟A的多套初步設(shè)計(jì)方案，使用步驟A的 車(chē)輛一線路系統(tǒng)動(dòng)力分析模型，計(jì)算得到車(chē)輛動(dòng)力響應(yīng)中〇· 〇2Hz-4Hz頻段范圍內(nèi)的車(chē)體 振動(dòng)加速度，根據(jù)IS02631中頻率加權(quán)曲線進(jìn)行加權(quán)求得車(chē)體振動(dòng)加速度均方根，作為運(yùn) 動(dòng)病評(píng)價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)；采用基于IS02631中的舒適度評(píng)價(jià)方法，對(duì)步驟A的多套初步設(shè)計(jì)方 案，使用步驟A的車(chē)輛一線路系統(tǒng)動(dòng)力分析模型，計(jì)算得到車(chē)輛動(dòng)力響應(yīng)中0· 5Hz-80Hz頻 段范圍內(nèi)的車(chē)體振動(dòng)加速度，根據(jù)IS02631中頻率加權(quán)曲線進(jìn)行加權(quán)求得車(chē)體振動(dòng)加速度 均方根，作為舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)；并將步驟A中計(jì)算得到車(chē)輛動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行頻數(shù)分布統(tǒng) 計(jì)和累積頻數(shù)分布統(tǒng)計(jì)； 其中車(chē)體振動(dòng)加速度均方根Ams可由下式計(jì)算：
式中，aw為頻率計(jì)權(quán)加速度（m/s 2) ;T為持續(xù)時(shí)間（s)。 Β-2.以合理降低運(yùn)動(dòng)病、提高舒適度和減少幅值較大的加速度頻數(shù)分布為目的，根據(jù) 步驟B-I的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，確定所述多套初步設(shè)計(jì)方案的軌道及其支撐結(jié)構(gòu)的參數(shù)及直線、圓 曲線、緩和曲線等線形特征參數(shù)中的敏感因素，對(duì)所述敏感因素進(jìn)行調(diào)整形成調(diào)整后設(shè)計(jì) 方案，重復(fù)步驟Β-1，比較所述多套初步設(shè)計(jì)方案和調(diào)整后設(shè)計(jì)方案的運(yùn)動(dòng)病指標(biāo)、舒適度 指標(biāo)和加速度統(tǒng)計(jì)分布特征，如此反復(fù)調(diào)整比較，取得滿意的優(yōu)化方案。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了基于車(chē)線系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的高速鐵路線路設(shè)計(jì)與評(píng)估方法。高速鐵路線路線形引起的車(chē)體振動(dòng)響應(yīng)主要集中在1Hz以下的低頻范圍內(nèi)，為了有效區(qū)分線形、線路平順性和線下結(jié)構(gòu)剛度等引起的車(chē)體振動(dòng)，本方法采用系統(tǒng)動(dòng)力仿真手段，引入ISO2631、EN12299等標(biāo)準(zhǔn)中運(yùn)動(dòng)病、舒適度、緩和曲線舒適度和瞬時(shí)舒適度等指標(biāo)，并結(jié)合加速度頻數(shù)分布和累積頻數(shù)分布綜合分析評(píng)價(jià)線形參數(shù)和線路方案的合理性，為線形參數(shù)確定和線路方案優(yōu)化提供依據(jù)。本方法能彌補(bǔ)傳統(tǒng)線路分析方法的不足，實(shí)現(xiàn)任意平縱斷面線形組合條件下的行車(chē)安全性和乘車(chē)舒適性的預(yù)測(cè)、分析和評(píng)估，為高速鐵路線路設(shè)計(jì)提供科學(xué)分析手段，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
【IPC分類】G06F17-50
【公開(kāi)號(hào)】CN104636561
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510075977
【發(fā)明人】龍?jiān)S友, 孫海富, 齊春雨, 袁偉, 繆銘銘
【申請(qǐng)人】鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司
【公開(kāi)日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2015年2月12日