基于动态载荷反演理论的高速列车轮轨力预测

With the improvement of train speed, the increase in the operating distance, and line conditions of natural evolution, lead to the deterioration of vehicle system running environment inevitably, strengthen the monitoring and evaluation of train operation safety is imminent. This project intends to research dynamic load inversion theory based on the dynamic programming theory. Introducing nonlinear solving module in the theoretical model, to solve the nonlinear problems in engineering structures; study the application of the regularization method in inversion theory, to solve the ill-posed problem; optimization solution mode of the inversion theory, shorten matrix transformation and storage time during the process of solving; introducing and deducing a new rapid numerical algorithm, to improve the computational efficiency of inversion solution. Establish a random dynamic load prediction theory method, that not only has good reverse stability and strong mathematical model controllability, but has a certain ability to resist noise. Based on the vehicle system dynamics theory and load inversion method, random vibration coupling inverse mechanical model of high-speed train is established, which will be used to predict wheel/rail forces of the high-speed train under running state. From the rigid-flexible coupling dynamic simulation, the roller testing rig and field test to verification and correction the reliability of the model, and providing theoretical support for evaluating the safety of train operation.

随着列车运行速度的提高、运营里程的增加，以及线路条件的自然演变，必然导致列车运行环境的恶化，加强对列车运营安全性的监控和评估迫在眉睫。本项目拟开展基于动态规划理论的动载荷反演理论研究，在理论模型中引入非线性求解模块，解决工程结构中存在的非线性问题；研究正则化方法在反演理论方法中的运用，解决解的不适定问题；优化反演理论的求解模式，缩短在求解过程中矩阵变换和存储的时间；引入和推导新型快速的数值算法，提高反演求解效率，建立一种满足工程需要的随机动态载荷预测理论方法。该方法不仅具有较好的逆向稳定性和较强的数学模型可控性，而且具有一定的抗噪声干扰能力。基于车辆系统动力学理论和载荷反演理论方法，建立高速列车轮轨力随机振动反演力学模型，对高速运行状态下车辆的轮轨力进行预测，从刚柔耦合多体动力学仿真、滚动振动台试验以及线路试验三个方面对该模型的可靠性进行验证和修正，为评估列车运行的安全性提供理论支撑。

随着列车运行速度的提高、运营里程的增加，以及线路条件的自然演变，必然导致列车运行环境的恶化，加强对列车运营安全性的监控和评估迫在眉睫。本项目开展基于动态规划理论的动载荷反演理论研究，在理论上，考虑研究对象的非线性因素，推导了新的快速算法提高理论模型的计算效率；随着非线性的引入以及计算规模的扩大，反演结果的不适定性更加突出，研究了适用于理论方法的正则化技术；最终通过反演过程的非迭代和显式积分算法，解决了载荷反演过程中普遍存在的误差累积和不适定性对反演结果的影响问题，建立了完整的非迭代非线性载荷反演理论方法，并实现了整个运算过程的程序化。.在方法运用上，表征了高速列车悬挂和轮轨接触的系统非线性特征，揭示了理论方法向轮轨力反演转化过程中的关键问题；在高速列车轮轨力预测随机振动反演力学模型中，适当考虑了车辆中的悬挂非线性、轮轨接触非线性等，建立了非线性铁路车辆系统的时间积分算法，通过铁路车辆系统中的5个典型非线性算例，研究了算法在非线性铁路车辆系统中的适用范围；基于以上研究成果，建立了高速列车轮轨力预测随机振动反演力学模型，通过刚柔耦合动力学仿真、滚动振动台试验等，对反演模型进行了修正和验证，在此基础上，通过复杂力学方程对车辆轮轴垂向力和横向力的解耦，准确预测了车辆各个车轮的脱轨系数。.在工程运用上，通过随机振动反演力学模型与方法获取高速列车轮轨力，在一定程度可以替代传统的轮轨力测试方法，如测力轮对测试方法、测力轨道测试方法等，测试成本低、安装方便、使用寿命长，可为高速列车运行安全性的评估提供了决策依据，同时基于反演得到的轮轨力，通过一定的方法还可以得到对应线路的轨道不平顺，从而更全面更好地研究机车车辆随机振动，计算车辆随机响应、评估车辆振动性能。