高速铁路隧道缓冲结构气动载荷与结构应力特性分析

高速列车通过隧道时,会引起车隧气动效应.在隧道洞口设置缓冲结构是简便有效的应对措施之一.而缓冲结构一般设置在隧道洞口,列车通过隧道产生气动载荷对该结构的影响也不容忽视.本文采用数值方法,利用Ansys软件的workbench模拟平台,对列车通过隧道产生的气动载荷作用在顶部单开口缓冲结构上的压应力变化进行模拟.研究结果表明:气动载荷所引起的结构附加应力作用明显.当行车速度为350 km/h时,附加应力可以达到80 kPa,而缓冲结构开口周围成为气动载荷附加应力集中区.对于双线隧道,近车壁面与远车壁面的附加压应力规律一致,但近车侧应力值要大于远车侧.与压力波在隧道内的传播特性类似,气动载荷所引起的附加压应力具有往复传播特征.另外,对顶部缓冲结构开口附近出现附加应力集中的原因进行了分析,确定缓冲结构形式是引起应力集中的决定因素.以上结论对隧道洞口缓冲结构的设计及安全巡查具有一定的指导意义.     

Dynamic simulation and safety evaluation of high-speed trains meeting in open air

Dynamic responses of a carriage under excitation with the German high-speed low-interference track spectrum together with the air pressure pulse generated as high-speed trains passing each other are investigated with a multi-body dynamics method.The variations of degrees of freedom(DOFs:horizontal movement,roll angle,and yaw angle),the lateral wheel-rail force,the derailment coefficient and the rate of wheel load reduction with time when two carriages meet in open air are obtained and compared with the results of a single train travelling at specifie speeds.Results show that the rate of wheel load reduction increases with the increase of train speed and meets some safety standard at a certain speed,but exceeding the value of the rate of wheel load reduction does not necessarily mean derailment.The evaluation standard of the rate of wheel load reduction is somewhat conservative and may be loosened.The pressure pulse has significan effects on the train DOFs,and the evaluations of these safety indexes are strongly suggested in practice.The pressure pulse has a limited effect on the derailment coefficien and the lateral wheel-rail force,and,thus,their further evaluations may be not necessary.     

隧道及地下工程的基本问题及其研究进展1）

作为隧道及地下工程学科的3个基本问题,隧道围岩稳定性、支护--围岩相互作用和结构体系的动力响应一直都是本学科研究的核心问题,本文围绕上述问题重点分析了隧道围岩力学特性及其载荷效应,建立了深浅层围岩结构力学模型,并通过分析深层围岩中结构层稳定性得到了围岩特性曲线的解析公式,提出了围岩结构性特点及载荷效应的计算方法;通过对隧道支护与围岩作用关系的分析,将支护与围岩的动态作用分为4个阶段：即自由变形、超前支护、初期支护和二次衬砌阶段.由此提出了动态作用全过程的描述方法;基于广义与狭义载荷的理念,提出隧道支护具有调动和协助围岩承载基本功能的观点,明确了两种功能的实现方式,即通过围岩加固、超前加固及锚杆支护实现调动围岩承载,通过支护结构协助围岩承载;针对复杂的隧道支护结构体系,提出了多目标、分阶段协同作用动态优化概念,可使各种支护结构的施作实现时间和空间上的协调,提高可靠性;针对极不稳定的复杂隧道围岩的安全性特点,建立了3种模式的安全事故机理模型,基于工程响应特点提出了安全性分级的新理念,并形成了分级指标体系和分级方法;针对水下隧道及富水围岩条件,建立了3种模式的隧道突涌水机理模型,提出了基于围岩变形控制的安全性控制理论和方法.最后,对本学科发展的热点和核心问题进行了分析和展望.     

基于3自由度的新月形覆冰输电线舞动稳定性研究

针对覆冰输电线舞动问题提出了一种基于非对称空气动力系数矩阵的临界风速计算方法．基于拟静态理论得到覆冰输电线的气动载荷，该气动载荷考虑了横向运动以及扭转运动对相对风攻角的影响，最后建立等效的3自由度覆冰输电线舞动模型．在初始风攻角处对气动载荷进行泰勒展开，得到非对称的线性空气动力系数矩阵．结合3自由度振动方程以及非对称空气动力系数矩阵，采用Rourh-Hurwitz准则计算覆冰输电线舞动发生的临界风速．通过风洞实验测得新月型覆冰单导线的空气动力系数，根据本文提出的理论分析了竖向振动频率、面外振动频率以及扭转振动频率对临界风速的影响，最后与DenHartog理论得到的临界风速进行了对比．本文研究成果对于指导覆冰输电线路防舞设计具有理论意义．     

动静态气密性分析方法及其在动车组上的应用

随着运行速度的提升, 高速动车组受到的外部激扰愈发剧烈. 尤其是动车组通过隧道和在隧道内交会时, 车体外表面产生的剧烈瞬变压力传入车厢内, 会引起司乘人员耳感不适等问题. 为研究动车组运行过程中的气密性能对车内气压波动和乘客乘坐舒适度的影响关系, 本文采用动静态测试结合的分析方法, 结合时间常数模型和当量泄漏面积模型, 通过在不同车辆内外部布置气压波动监测传感器, 对四级修前后的高速动车组进行了线路运行气动载荷测试; 针对不同部位具体结构特征开发了不同型式的气体泄漏量测试工装, 并对不同车辆的静态气密性进行了测试研究. 搭建了动静态气密性能分析模型并获得了动静态气密指数, 总结了隧道条件、运行速度等因素对车内压力波动和动态气密性能的影响规律, 同时针对典型气密部件的泄漏量和泄漏面积进行了分析, 对气密敏感部件进行了影响度排序并提出了优化方案. 本文提出的方法和相关研究数据对于关键部件的设计方案和修程修制优化具有一定的参考意义.      

基于流固耦合的锚索涡激振动抑制方法研究

悬浮隧道锚索的涡激振动会加剧锚索的疲劳破坏,进而影响悬浮隧道的使用寿命和安全.文章在海洋立管涡激振动抑制研究的基础上,考虑悬浮隧道锚索倾斜角度和来流方向的影响,采用流固耦合的数值方法,对整流罩方法和三控制杆方法的抑制效果进行了分析.结果表明,在顺来流方向,两种方法均具有良好的抑振效果;锚索有倾斜的情况下,三控制杆方法的效果会有所提升;但在来流方向改变时,整流罩方法具有较强的适应性.     

循环神经网络在智能天平研究中的应用

激波风洞地面试验对高超声速飞行器高焓气动特性研究至关重要, 而高精度气动力测量是其中的关键技术. 在脉冲型激波风洞中进行测力试验时, 风洞起动时流场瞬间建立, 对测力系统会产生较大的冲击. 测力系统在瞬时冲击作用下受到激励, 系统的惯性振动信号在短时间内无法快速衰减, 天平的输出信号中会包含惯性振动干扰量, 导致脉冲型风洞测力试验精准度的进一步提高遇到瓶颈. 为了解决短试验时间内激波风洞快速准确测力问题, 发展高精度的动态校准技术是提升受惯性干扰天平性能的关键方法. 因此, 本文采用循环神经网络对天平动态校准数据进行训练和智能处理, 旨在消除输出动态信号中的振动干扰信号. 本文对该方法进行了误差分析, 验证了该方法的可靠性, 并将该方法应用于激波风洞测力试验中, 切实有效降低了惯性振动对天平输出信号的干扰影响. 根据智能模型的样本验证分析, 各分量载荷相对误差比较小, 其中高频轴向力分量处理结果的相对误差约1%. 在风洞试验数据验证中, 也得到了比较理想的结果, 同时与卷积神经网络模型处理的结果进行了对比分析.      

蜻蜓滑翔时柔性褶皱前翅气动特性分析

蜻蜓是自然界优秀的飞行家,滑翔是其常见且有效的飞行模式.蜻蜓优异的飞行能力来源于其翅膀的巧妙结构,褶皱是蜻蜓翅膀上最为显著的结构之一,不仅提高了翅膀的刚度,还改变了其气动特性,而飞行过程中柔性翅膀会产生变形是蜻蜓翅膀的另一特性.为揭示蜻蜓在滑翔时,柔性褶皱前翅的变形,探究褶皱和柔性的共同作用对其气动特性的影响,基于逆向工程,依据前人的测量数据和研究成果,通过三维建模软件建立了蜻蜓三维褶皱前翅的计算流体力学(computational fluiddynamics,CFD)模型和计算结构力学(computational structuralmechanics,CSD)模型,并通过模态分析验证了此模型有足够的精度.基于CFD方法和CFD/CSD双向流固耦合计算方法分别对蜻蜓滑翔飞行时刚性和柔性褶皱前翅的气动特性进行了数值模拟,结果表明,柔性褶皱前翅受气动载荷后,翅脉和翅膜产生形变,柔性前翅上下表面压力差相较于刚性前翅减小了,从而其升力和阻力也减小了,而在大攻角时,变形后的前缘脉诱导出比刚性前翅更强的前缘涡.因此在攻角小于10$^\circ$时刚性前翅的气动特性优于柔性前翅,继续增大攻角,柔性前翅的气动特性则优于刚性前翅.前翅受载后气动响应时间短,翅尖的变形最大,仅仅产生了垂直于翅膀所在平面方向上的变形,而没有发生扭转,翼根处受到应力最大,褶皱上凸部分承受蜻蜓滑翔时前翅的主要载荷.      

基于时频变换的激波风洞天平信号分析与处理

在激波风洞中开展测力试验时,测力系统在风洞流场起动瞬间会受到冲击激励,从而对天平的输出信号产生惯性干扰.天平输出信号中叠加有动态气动力信号和惯性振动信号,有可能无法直接分辨出气动力信号的规律性,信号处理结果与真实气动力之间会产生较大的误差,导致处理结果不可靠.由于模型测力天平系统结构的复杂性,在极短的有效试验时间(毫秒...     

高速列车空气动力学研究技术综述

随着我国高速铁路的快速发展,高速列车运行速度越来越快,包括气动阻力、横风效应、会车效应、隧道效应和气动噪声等一系列空气动力学问题日益突出. 利用模型试验、实车测量和数值计算等不同的研究手段,开展全面的高速列车空气动力学研究显得十分重要. 本文比较全面和系统地介绍了国内外高速列车空气动力学研究在模型试验、实车测量、数值计算等方面的技术现状和进展情况,对今后的发展方向和内容进行了展望.     

SOLUTION AND ANALYSIS OF CIRCULAR TUNNEL FOR THE STRAIN-SOFTENING ROCK MASSES CONSIDERING THE AXIAL IN SITU STRESS AND SEEPAGE FORCE

为了研究轴向应力和渗透力共同作用下软化围岩的应力与位移的变化及分布规律. 基于摩尔-库伦屈服准则及应力-应变软化模型并考虑轴向应力和渗透力的共同作用,将整个塑性区分为有限个同心圆环,以弹塑性交界面处的应力、应变为初始值,并采用微小径向应力增量逐步求出各个圆环上的应力应变及塑性区半径,据此重构了考虑渗透力和轴向力共同作用下软化围岩应力应变特性的逐步求解方法. 利用该方法,推导出软化围岩应力应变的解. 计算结果表明：在考虑轴向应力作用下,塑性区半径和隧道围岩位移都随着渗透力的增加而有所减小;当轴向应力为最小主应力时,渗透力的影响更为显著. 这说明渗透力的存在对于隧道围岩的应力应变分布以及塑性半径和围岩的位移有不可忽略的影响.     

扑翼飞行器带翼刀机翼气动特性实验研究

通过进行微型扑翼飞行器低速风洞试验,研究了带弯度机翼下翼面翼刀对扑翼飞行器升阻特性的影响。文中进行了带翼刀机翼和不带翼刀机翼在不同迎角下的风洞吹风试验。试验结果表明,带翼刀机翼升力系数大于不带翼刀机翼升力系数,从而证明了翼刀可以阻止机翼下表面气流展向流动,起到增加机翼升力的作用。当扑翼在小迎角飞行时,带翼刀机翼可以有效地提高扑翼的气动效率,改善扑翼的飞行性能。研究结果可为带翼刀机翼在扑翼飞行器上的应用提供技术支持。     

西周岭隧道地应力测量及岩爆预测分析

为指导施工,提高施工的安全性和经济性,对西周岭隧道进行了钻孔水压致裂法地应力测量。测试结果表明:西周岭隧道深埋段地应力场以水平应力为主,在测试深度内最大水平主应力值为10.57~19.39MPa,具中等偏高应力水平; 最大水平主应力方向为近N33°W,与隧道走向的夹角较小,即地应力对隧道围岩稳定性较为有利。基于地应力实测结果,本文采用Hoek判据、Turchaninov判据、Russenes判据和工程岩体分级标准等4种判别方法进行岩爆预测,并分析了发生岩爆的临界深度,认为西周岭隧道深埋段有发生轻微-中等岩爆的可能,发生岩爆的临界埋深厚度约为397m。因此,在施工过程中应采取合理的开挖方式及防岩爆安全措施,防止岩爆灾害的发生。     

MOVING MODEL ANALYSIS OF THE INITIAL COMPRESSION WAVE IN TUNNEL FOR HIGH-SPEED TRAINS1)

利用动模型实验方法,主要研究列车头型横截面变化对初始压缩波的影响。结果表明,在列车最大横截面积和流线型部分长度相同的情况下,列车头部流线型部分的平均横截面积和截面变化率均会对初始压缩波的压力峰值产生影响,平均横截面积决定了初始压缩波形成时的强度大小,截面变化率则通过影响初始压缩波的压力梯度,决定在隧道传播过程中初始压缩波压力峰值的衰减程度。     

侧风风场特征对高速列车交会的影响研究

为了准确预测侧风环境下列车交会时的气动性能,考虑均匀风和大气底层速度边界型侧风,通过计算流体力学方法对比研究高速列车交会压力波特性和气动力特性. 结果表明,两种风场下交会压力波有所不同,但幅值差异不明显;采用均匀风场评估列车侧风环境下交会会高估列车所受气动力. 本文对高速列车行驶安全性评估和复杂运行场景的复杂流场的认识具有参考价值.     

流变岩体中让压支护作用下隧道力学行为研究

高地应力深埋软岩隧道大变形问题已成为隧道工程建设领域的突出难题. 根据高地应力深埋软岩隧道的变形特征, 基于"围岩能量吸收、变形释放"的让压支护是解决软岩隧道大变形问题的有效方法. 针对流变岩体中深埋圆形隧道在让压支护作用下的力学响应问题, 通过引入分数阶微积分理论, 采用Abel黏壶元件建立了改进的分数阶Burgers蠕变模型来表征围岩的时效变形. 此外, 通过在让压支护不同变形阶段引入刚度修正系数, 克服了传统支护未能考虑围岩变形释放的问题. 据此, 本文推导了在考虑支护延迟安装影响下, 不同变形阶段围岩与让压支护相互作用的解析解. 为了验证理论研究的正确性, 对一算例进行了不同解答及工程结果的比对, 吻合较好. 最后, 参数研究结果表明: 围岩与让压支护间的相互作用受蠕变本构模型分数阶阶数影响较大. 隧道的位移或支护压力与让压位移、支护刚度修正系数间存在线性比例关系, 但由于刚度修正系数仅保持在较小的变化范围内, 隧道的位移或支护压力变化并不显著.      

紫藤萝复叶气动特性的风洞实验研究

树叶的形状重构和减阻能力在太阳能帆板、机翼结构、仿生天线设计和新型发电技术等方面具有应用价值.紫藤萝羽状复叶垂直悬挂于风洞中,在风速0~25m/s范围内进行正面和反面迎风测试.发现存在前期稳定、中间过渡和后期稳定3个阶段以及5个临界风速.在前期阶段叶轴随风速弯曲变化剧烈,出现小叶分层飞翼和分层多形状稳定.过渡阶段出现叶轴大幅低频振动和部分小叶小幅高频振动两种不稳定形式.后期出现两层或单一整体稳定,横截面形状分为锥形、楔形和U形.随着风速增大,复叶宽度减小,小叶层数逐步减少,直至出现流线形单一整体.随着雷诺数增大,复叶阻力系数先是快速下降,后又缓慢地趋于常数.复叶Vogel负指数绝对值$\vert \alpha \vert$随小叶数目的增大而增大.反面迎风时$|\alpha|$比正面迎风时大,但随着小叶数目增加两者趋于一致.当复叶旋涡脱落频率与叶轴固有频率接近时,叶轴出现大幅振动.理论分析得到叶轴振动的第二临界风速$V_2/\sqrt{E/\rho}$是$b/l$和$d/l$的函数,其中$E$,$\rho$,$d$和$l$分别为叶轴弹性模量、密度、直径和长度,$b$为变形后的复叶宽度,并由实验数据得到了其变化图.      

连拱式大跨悬挑屋盖抗风气动措施研究

本文对连拱式大跨度悬挑屋盖进行了数值风洞试验,分别探讨了在屋盖悬挑前缘增设通风孔、导流板以及同时布设导流板与通风孔这三种气动措施对悬挑屋盖表面风荷载的影响及其作用机理．研究结果表明,同时布设导流板与通风孔的综合气动措施,能显著影响屋盖结构前缘气流的分离,从而减小屋盖的表面风压,并可减弱屋盖的风致振动．在此类屋盖结构设计中,运用综合气动措施可有效降低屋盖整体的升力系数与弯矩系数,对该类屋盖抗风设计较为有利．     

高速列车受电弓风洞试验研究

为了研究高速列车受电弓在较高速度下的整体气动特性、弓网接触压力以及受电弓对支持绝缘子的作用力等综合性能,在FD-09低速风洞中进行了测力试验。试验采用测力天平和力传感器进行测量。通过在FD-09风洞试验段内安装收缩地板的方式首次将受电弓试验风速提高到了380km/h,可以满足高速列车受电弓高速性能研究的需求。研究结果表明：受电弓相对列车运行方向对受电弓升力特性有显著的影响,对弓网接触压力也有较大的影响;通过调节导风板的角度可以有效控制弓网接触压力;受电弓对支持绝缘子的作用力表现为前面拉力后面压力。     

敞开式大跨空间桁架结构风荷载分布特性研究

敞开式空间结构的桁架由于直接受气流作用，其流场空间分布复杂，风荷载确定困难，且风洞试验受模型缩尺比限制难于获取桁架结构上的气动力．借助数值风洞技术，利用高性能计算平台，本文数值求解了敞开式桁架结构的空间流场及风荷载分布．敞开式空间桁架结构整体风荷载表现为水平向为主，竖向不显著的特点，该点与封闭式桁架结构整体通常表现出竖向较强吸力作用明显不同．敞开式空间桁架结构整体风荷载对风向角表现并不敏感，其原因在于敞开式空间桁架的流场多处分离且相互干扰严重，其整体特征紊流不易在某个风向角下特别占优．