一種高速列車車體隨機(jī)響應(yīng)置信區(qū)間的檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高速列車車體隨機(jī)響應(yīng)置信區(qū)間的檢測(cè)方法，包括：對(duì)列車隨機(jī)振動(dòng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性進(jìn)行表述及生成隨機(jī)樣本的步驟；基于虛擬激勵(lì)法對(duì)隨機(jī)響應(yīng)樣本進(jìn)行分析的步驟；對(duì)隨機(jī)響應(yīng)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并給出置信區(qū)間的步驟。本發(fā)明同時(shí)考慮列車結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性和軌道激勵(lì)的隨機(jī)性，統(tǒng)計(jì)分析復(fù)合隨機(jī)振動(dòng)的響應(yīng)，它通過結(jié)合高效的計(jì)算力學(xué)方法，應(yīng)用虛擬激勵(lì)法以包含統(tǒng)計(jì)信息的軌道譜作為激勵(lì)，解決了隨機(jī)激勵(lì)的輸入問題；應(yīng)用辛數(shù)學(xué)理論，對(duì)軌道模型進(jìn)行化簡(jiǎn)，建立了混合坐標(biāo)方程，從而使大容量樣本的計(jì)算成為可能；統(tǒng)計(jì)給出具有一定置信水平的隨機(jī)響應(yīng)估計(jì)，為提高列車運(yùn)行安全性和舒適性的動(dòng)力設(shè)計(jì)改良提供了依據(jù)。
【專利說明】一種高速列車車體隨機(jī)響應(yīng)置信區(qū)間的檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高速列車車體隨機(jī)響應(yīng)的計(jì)算方法，特別涉及一種考慮不確定因素的高速列車車體隨機(jī)響應(yīng)置信區(qū)間的檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高速列車對(duì)運(yùn)行舒適性和安全性的高要求決定了其動(dòng)力設(shè)計(jì)中必須考慮不確定因素的影響。一方面，列車運(yùn)行中受到來自軌道不平順引起的隨機(jī)激勵(lì)；另一方面，由于加工、制造等方面的原因，列車的結(jié)構(gòu)參數(shù)存在著大量的不確定性因素，通常采用的確定性分析模型僅是實(shí)際結(jié)構(gòu)的一種理想化模型。為能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)列車系統(tǒng)的動(dòng)力行為及其與線路性能匹配關(guān)系，需要合理計(jì)及系統(tǒng)的不確定性，并發(fā)展與之相關(guān)的不確定性在車軌耦合系統(tǒng)中傳播的預(yù)測(cè)方法。目前，對(duì)車輛和結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)不確定性的相關(guān)研究正日益獲得重視。
[0003]D' Aveni, Muscolino和Ricciardi對(duì)于具有不確定阻尼和彈性模量的簡(jiǎn)支梁在確定性運(yùn)動(dòng)載荷作用下的隨機(jī)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析，建立了響應(yīng)統(tǒng)計(jì)量評(píng)估方法，包括:應(yīng)用攝動(dòng)技術(shù)進(jìn)行隨機(jī)量展開，不確定參數(shù)隨機(jī)系統(tǒng)傳遞函數(shù)和響應(yīng)二階統(tǒng)計(jì)量評(píng)估等等。Muscolino, Benfratello和Sidoti對(duì)于具有不確定質(zhì)量、速度和加速度的移動(dòng)振子作用下分布參數(shù)系統(tǒng)響應(yīng)計(jì)算問題進(jìn)行了研究，獲得了振子-梁交互作用導(dǎo)致的隨機(jī)結(jié)構(gòu)不確定響應(yīng)。Chang和Lin等研究了具有不確定參數(shù)(如隨機(jī)質(zhì)量、剛度、阻尼和加速度)移動(dòng)振子作用下彈性基礎(chǔ)上內(nèi)部鉸接、兩端固定梁的動(dòng)力響應(yīng)，應(yīng)用模態(tài)分析和Galerkin方法獲得了截?cái)嗫刂七\(yùn)動(dòng)方程集，通過改進(jìn)的攝動(dòng)技術(shù)評(píng)估梁變形的統(tǒng)計(jì)特性。Gladysz和Sniady將列車隨機(jī)過橋模擬為過濾泊松過程移動(dòng)作用力，對(duì)具有不確定參數(shù)梁式橋振動(dòng)進(jìn)行了功率譜分析，假設(shè)梁式橋本征頻率是不確定的，應(yīng)用模糊數(shù)、隨機(jī)變量和模糊隨機(jī)變量進(jìn)行模型化，采用本征模態(tài)動(dòng)力影響函數(shù)求解了橋梁響應(yīng)譜密度函數(shù)一般解。Wu和Law對(duì)具有不確定性車橋相互作用問題進(jìn)行了研究，橋梁模擬為具有非高斯概率材料屬性的Bernoull1-Euler簡(jiǎn)支梁，車輛模擬為四自由度彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，路面不平度假設(shè)為高斯隨機(jī)過程。通過譜隨機(jī)有限元方法進(jìn)行非高斯不確定性處理，進(jìn)一步采用Newmark方法求解車-橋稱合系統(tǒng)動(dòng)力方程，并對(duì)正交多項(xiàng)式混沛階數(shù)和Karhunen-LoSve展開截?cái)嘟o出了建議。
[0004]上述工作采用相對(duì)簡(jiǎn)化的模型對(duì)不確定車輛和結(jié)構(gòu)相互作用問題進(jìn)行了有益的探索，但就實(shí)際應(yīng)用而言還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。復(fù)雜不確定動(dòng)力系統(tǒng)分析還面臨著許多挑戰(zhàn)，尤其表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)承受隨機(jī)載荷、材料不確定屬性的概率描述，以及與計(jì)算力學(xué)相關(guān)的結(jié)構(gòu)分析方法等各方面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明主要目的在于解決上述問題和不足，提供一種高速列車車體隨機(jī)響應(yīng)置信區(qū)間的檢測(cè)方法，可解決復(fù)合隨機(jī)振動(dòng)問題在計(jì)算上的困難，通過高效的計(jì)算方法精確地求解功率譜響應(yīng)，并對(duì)其統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行分析，從而指導(dǎo)車體的動(dòng)力設(shè)計(jì)。[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0007]一種高速列車車體隨機(jī)響應(yīng)置信區(qū)間的檢測(cè)方法，包括:
[0008]對(duì)列車隨機(jī)振動(dòng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性進(jìn)行表述及生成隨機(jī)樣本的步驟；
[0009]基于虛擬激勵(lì)法對(duì)隨機(jī)響應(yīng)樣本進(jìn)行分析的步驟；
[0010]對(duì)隨機(jī)響應(yīng)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并給出置信區(qū)間的步驟。
[0011]進(jìn)一步，所述對(duì)列車隨機(jī)振動(dòng)的不確定性進(jìn)行表述的步驟具體包括:
[0012]將軌道不平順，視為平穩(wěn)隨機(jī)過程，應(yīng)用隨機(jī)振動(dòng)虛擬激勵(lì)法，將隨機(jī)激勵(lì)轉(zhuǎn)化為確定性的虛擬激勵(lì)，在頻域上建立方程:
【權(quán)利要求】
1.一種高速列車車體隨機(jī)響應(yīng)置信區(qū)間的檢測(cè)方法，其特征在于，包括: 對(duì)列車隨機(jī)振動(dòng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性進(jìn)行表述及生成隨機(jī)樣本的步驟； 基于虛擬激勵(lì)法對(duì)隨機(jī)響應(yīng)樣本進(jìn)行分析的步驟； 對(duì)隨機(jī)響應(yīng)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并給出置信區(qū)間的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速列車車體隨機(jī)響應(yīng)置信區(qū)間的檢測(cè)方法，其特征在于，所述對(duì)列車隨機(jī)振動(dòng)的不確定性進(jìn)行表述的步驟具體包括: 將軌道不平順，視為平穩(wěn)隨機(jī)過程，應(yīng)用隨機(jī)振動(dòng)虛擬激勵(lì)法，將隨機(jī)激勵(lì)轉(zhuǎn)化為確定性的虛擬激勵(lì)，在頻域上建立方程:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高速列車車體隨機(jī)響應(yīng)置信區(qū)間的檢測(cè)方法，其特征在于:對(duì)于列車結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性，在系統(tǒng)方程中表現(xiàn)為質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣的隨機(jī)性，將其視為服從某種概率分布的隨機(jī)變量，把隨機(jī)系數(shù)矩陣分為確定部分和隨機(jī)部分兩部分，表示如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高速列車車體隨機(jī)響應(yīng)置信區(qū)間的檢測(cè)方法，其特征在于:在所述生成隨機(jī)樣本的步驟中，按照概率分布特性生成隨機(jī)數(shù)，得到計(jì)算樣本。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速列車車體隨機(jī)響應(yīng)置信區(qū)間的檢測(cè)方法，其特征在于:在所述對(duì)隨機(jī)響應(yīng)樣本進(jìn)行分析的步驟中，利用SiPECS平臺(tái)上編寫HiPEM計(jì)算模塊，對(duì)所述樣本逐個(gè)進(jìn)行車軌耦合系統(tǒng)的隨機(jī)響應(yīng)分析，計(jì)算得到響應(yīng)的樣本。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高速列車車體隨機(jī)響應(yīng)置信區(qū)間的檢測(cè)方法，其特征在于:所述對(duì)樣本進(jìn)行隨機(jī)響應(yīng)分析，具體包括如下步驟: 假設(shè)軌道為無窮長周期結(jié)構(gòu)，以位移和力為狀態(tài)向量，改寫子結(jié)構(gòu)方程為狀態(tài)空間形式； 對(duì)其辛本征值問題進(jìn)行分析，求出出口剛度，進(jìn)而得到典型子結(jié)構(gòu)狀態(tài)方程； 解出辛模態(tài)坐標(biāo)后，根據(jù)簡(jiǎn)諧波在周期子結(jié)構(gòu)鏈傳播狀態(tài)得到各個(gè)子結(jié)構(gòu)的端口狀態(tài)位移響應(yīng)，確定整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)的響應(yīng)； 將車體運(yùn)動(dòng)方程和軌道子結(jié)構(gòu)方程通過輪軌關(guān)系耦合起來，則得到整個(gè)耦合系統(tǒng)的動(dòng)力方程。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速列車車體隨機(jī)響應(yīng)置信區(qū)間的檢測(cè)方法，其特征在于:所述對(duì)隨機(jī)響應(yīng)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并給出置信區(qū)間的步驟，具體包括:假設(shè)響應(yīng)總體服從高斯分布，對(duì)其均值μ和方差σ 2進(jìn)行估計(jì)；選取統(tǒng)計(jì)量樣本均值X和樣本方差S2為估計(jì)量；給定置信水平為 l-α，分別得到均值μ和方差σ 2的置信區(qū)間。
【文檔編號(hào)】G01M17/08GK103852270SQ201210506904
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2012年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月1日
【發(fā)明者】劉天賦, 李恒奎, 高寶杰, 仲崇成, 項(xiàng)盼, 張有為, 趙巖, 吳沛沛 申請(qǐng)人:南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司