基于概率密度演化理论的高速列车-桥梁耦合系统随机振动分析研究

Bridge takes part of important position in the high-speed railway in our country, and the dynamic problems brought by random vibration of train-bridge coupling system increasingly prominent. Because of the complex random factors, the current random vibration theory cannot well reveal the essence of train-bridge coupling system. For these reasons, based on the probability density evolution theory, the project is proposed to carry out the random vibration theoretical study and simulation of high-speed railway train-bridge coupling system, considering the combined actions of random factors include input load and the structural parameters. The contents include: study of 3D wheel/rail contact relationship and its random simulation method for train-bridge coupling system, the random vibration theory and analysis method of train-bridge coupling system based on the probability density evolution method, the numerical modeling analysis and experimental verification of the train-bridge coupling system, the evaluation method of running safety and human comfort level for the high-speed railway train-bridge coupling system based on the dynamic reliability theory, the probability density evolution theory and the first time excess destruction criterion with absorbing boundary conditions. It will provide important theory basis for high-speed railway dynamics analysis, safety operation and maintenance and technical guidance.

桥梁在我国高速铁路中占据了极其重要的地位，而高速列车-桥梁耦合系统随机振动所带来的动力学问题日益突出，且随机因素复杂化，就目前的随机振动理论尚不能很好地揭示车桥耦合随机振动的本质特征。为此，本项目基于概率密度演化理论拟开展兼顾输入激励和结构参数双重随机性共同作用的高速列车-桥梁耦合系统随机振动理论研究和仿真分析，研究高速列车-桥梁耦合系统三维轮轨随机接触关系的模拟方法，提出基于概率密度演化理论的高速列车-桥梁耦合系统随机振动理论与分析方法，实现高速列车-桥梁耦合系统随机振动模型的数值模拟与实测验证；基于吸收边界条件的首次超越破坏动力可靠度理论，提出基于概率密度演化理论的高速列车-桥梁耦合系统行车安全性与舒适性评估分析方法。为高速铁路动力学分析、安全运营及养护维修提供理论依据与技术指导。

高速列车-桥梁耦合系统随机动力学问题日益突出，且随机因素复杂化。本项目以高速铁路列车与典型桥梁的相互作用为研究对象，开展了“基于概率密度演化理论的高速列车-桥梁耦合系统随机振动分析研究”的研究，经过4年攻关，项目组取了以下研究成果：.（1）建立了广泛适用性的车桥耦合振动的三维轮轨随机接触关系的模拟方法，深入揭示了高速列车轮轨随机接触关系的物理机制；.（2）发展了多维随机变量代表性点集的选点规则及其初始概率分配规则，提高了系统随机振动分析计算效率和计算精度；.（3）建立了高速列车-轨道-桥梁耦合系统随机振动模型，提出了基于概率密度演化理论的高速列车-轨道-桥梁耦合系统随机振动分析方法，能同时兼顾随机输入激励、随机系统参数的共同耦合作用；.（4）研发了一套高速列车-轨道-桥梁系统随机振动分析软件，并基于数值模拟和现场实测数据开展了软件可靠性验证；.（5）提出了基于概率保证率和动力可靠度理论的高速列车-轨道-桥梁耦合系统桥上行车安全性与舒适性评估方法，开展了高速列车-轨道-桥梁耦合系统桥上行车安全性与舒适性评估。.本项目研究已在国内外高水平期刊和国际学术会议上发表论文15篇，其中被SCI收录10篇，EI收录2篇，申请和获得授权发明专利3项，实用新型专利1项，国际/国内学术会议上作大会主旨报告1场，特邀报告和大会报告7场，国际/国内学术会议参会20余人次。项目相关研究成果作为重要理论和技术支撑，先后分别获得2017年中国铁道科学技术进步特等奖1项（余志武，排名1/40）、2019年国家技术发明奖二等奖1项（余志武，排名1/6）。.该项目成功解决了高速列车-轨道-桥梁耦合系统动力性能数值随机模拟难题，提高了高速列车-轨道-桥梁系统动力分析和评估的科学性与合理性，相关研究成果已在我国高速铁路等线路数十座桥梁进行了工程应用，并获得了显著的社会经济效益；项目研究成果为高速铁路桥梁优化设计与系统安全防控提供了技术支撑，具有重要的理论意义和工程应用价值。