高速列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種高速列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)方法，包括如下步驟：建立列車(chē)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的隨機(jī)振動(dòng)數(shù)值仿真模型，完成功率譜響應(yīng)仿真計(jì)算；對(duì)線路測(cè)試傳感器優(yōu)化布置，測(cè)量列車(chē)在線路運(yùn)營(yíng)時(shí)各測(cè)試點(diǎn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)域信息，測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)頻域功率譜分析處理后提取車(chē)輛部件動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征；由數(shù)值仿真功率譜與線路測(cè)試功率譜的吻合，建立動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)的基本方程；求解該基本方程，獲得并輸出功率譜密度吻合條件下的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)檢測(cè)參數(shù)。本發(fā)明以列車(chē)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，混合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)與動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，建立動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)的基本方程完成高速列車(chē)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的長(zhǎng)期行為評(píng)估，為列車(chē)運(yùn)營(yíng)的安全、可靠提供技術(shù)保障。
【專(zhuān)利說(shuō)明】高速列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于實(shí)測(cè)信息的高速列車(chē)動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)方法，特別涉及一種針對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的高速列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)特征發(fā)生變化的檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高速列車(chē)在長(zhǎng)期服役運(yùn)營(yíng)環(huán)境下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)行為，高速列車(chē)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)獲得越來(lái)越多的關(guān)注。就問(wèn)題的本質(zhì)而言，該技術(shù)屬于服役高速列車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)技術(shù)，也屬于列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型修正的問(wèn)題范疇。對(duì)于常規(guī)的土木工程結(jié)構(gòu)模型修正技術(shù)而言，目前從模型識(shí)別的對(duì)象，識(shí)別參數(shù)的選取，測(cè)試數(shù)據(jù)的選擇，以及求解方法都已經(jīng)獲得較大進(jìn)展。然而就高速列車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)而言，由于服役列車(chē)所經(jīng)歷環(huán)境荷載的隨機(jī)性，以及列車(chē)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，其參數(shù)辨識(shí)相關(guān)技術(shù)還處于起步階段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明主要目的在于解決上述問(wèn)題和不足，提供一種高速列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的長(zhǎng)期行為評(píng)估，為列車(chē)運(yùn)營(yíng)的安全、可靠提供技術(shù)保障。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0005]一種高速列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)方法，包括如下步驟:
[0006]步驟A、建立列車(chē)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的隨機(jī)振動(dòng)數(shù)值仿真模型，完成功率譜響應(yīng)仿真計(jì)算，按車(chē)體、構(gòu)架等部件分類(lèi)輸出部件整體或局部動(dòng)力響應(yīng)；
[0007]步驟B、對(duì)列車(chē)線路測(cè)試傳感器進(jìn)行優(yōu)化布置，測(cè)量高速列車(chē)在線路運(yùn)營(yíng)時(shí)各測(cè)試點(diǎn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)域信息，測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)頻域功率譜分析處理后提取車(chē)輛部件動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征；
[0008]步驟C、由車(chē)輛系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)數(shù)值仿真功率譜與線路測(cè)試功率譜的吻合，建立動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)的基本方程，S(X)=Sm，
[0009]其中，Sm為由所述步驟B實(shí)際測(cè)試的功率譜密度值，S(X)為相應(yīng)由修正模型計(jì)算的功率譜密度值；
[0010]步驟D、求解步驟C中的基本方程，獲得并輸出功率譜密度吻合條件下的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)檢測(cè)參數(shù)，完成車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)。
[0011]進(jìn)一步，根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)方法，其特征在于:在所述步驟A中，采用彈性車(chē)體有限元模型，并通過(guò)一系、二系連接系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)耦合組成列車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用無(wú)窮周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行軌道模擬，建立典型軌道子結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用虛擬激勵(lì)法進(jìn)行隨機(jī)軌道不平順處理，進(jìn)行車(chē)輛-軌道結(jié)構(gòu)耦合動(dòng)力學(xué)虛擬簡(jiǎn)諧分析，最終完成功率譜響應(yīng)仿真計(jì)算。
[0012]進(jìn)一步，在所述步驟B中，所述測(cè)試傳感器的優(yōu)化布置，具體包括在列車(chē)軸箱、轉(zhuǎn)向架和車(chē)體安裝用于測(cè)試的傳感器，所述傳感器至少包括加速度傳感器，其中，前后轉(zhuǎn)向架加速度測(cè)試分為垂向、橫向兩個(gè)通道，車(chē)體加速度測(cè)試分前后橫向和垂向通道，轉(zhuǎn)向架、車(chē)體測(cè)試分為不同采集單元，每個(gè)單元均獨(dú)立工作。
[0013]進(jìn)一步，在所述步驟B中，信息處理流程為軸箱、轉(zhuǎn)向架或車(chē)體測(cè)試信號(hào)，經(jīng)信號(hào)預(yù)處理模塊后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并經(jīng)信號(hào)處理分析進(jìn)行信號(hào)特征提取。
[0014]進(jìn)一步，所述信號(hào)處理分析及特征提取采用現(xiàn)代功率譜估計(jì)方法，具體包括:首先通過(guò)對(duì)布設(shè)的所述傳感器采集的測(cè)試數(shù)據(jù)估計(jì)出信號(hào)的AR參數(shù)模型、MA模型或ARMA模型，再按照不同參數(shù)模型的輸出功率完成時(shí)域信號(hào)的功率譜估計(jì)。
[0015]進(jìn)一步，在所述步驟C中，建立動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)的基本方程的步驟具體為:
[0016]建立影響車(chē)輛動(dòng)力學(xué)行為的參數(shù)列表體系，此參數(shù)列表通過(guò)映射關(guān)系最終反映在如步驟A中車(chē)輛動(dòng)力學(xué)有限元模型中；
[0017]通過(guò)修正系數(shù)調(diào)整車(chē)輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，并將車(chē)輛動(dòng)力學(xué)有限元模型中修正模型的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣表示為修正系數(shù)的函數(shù)；
[0018]如果步驟B實(shí)際測(cè)試的M個(gè)功率譜密度值表示為Sm =(5;,?*,...,?)1'，而相應(yīng)由
修正模型計(jì)算的功率譜密度值表示為S (X) = (S1 (X)，S2 (X)，…，Sm(X) ) t，在理想情況下，修正后模型的計(jì)算功率譜值應(yīng)與測(cè)試功率譜值相等，即得S(x)=Sm。
[0019]進(jìn)一步，在所述步驟D中，采用信賴(lài)域型的L-M算法求解所述步驟C中的基本方程，獲得該基本方程的最小二乘解。
[0020]綜上內(nèi)容，本發(fā)明所述的高速列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)方法，以高速列車(chē)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，混合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)與動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，建立了動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)的基本方程，應(yīng)用信賴(lài)域型L-M求解算法獲得參數(shù)檢測(cè)基本方程的最小二乘解，實(shí)現(xiàn)高速列車(chē)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的長(zhǎng)期行為評(píng)估，為列車(chē)運(yùn)營(yíng)的安全、可靠提供技術(shù)保障。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是本發(fā)明流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0023]如圖1所示，一種高速列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)方法，以高速列車(chē)的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，混合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)與動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，通過(guò)測(cè)量高速列車(chē)在線路運(yùn)營(yíng)時(shí)各測(cè)試點(diǎn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信息，且測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)頻域功率譜分析處理后提取車(chē)輛構(gòu)件動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，由車(chē)輛系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)數(shù)值仿`真功率譜與線路測(cè)試功率譜的吻合，建立動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)的基本方程，再應(yīng)用信賴(lài)域型L-M求解算法，獲得參數(shù)檢測(cè)基本方程的最小二乘解，最終實(shí)現(xiàn)高速列車(chē)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的檢測(cè)。
[0024]該檢測(cè)方法具體包括以下步驟:
[0025]步驟A、建立列車(chē)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的隨機(jī)振動(dòng)數(shù)值仿真模型，完成功率譜響應(yīng)仿真計(jì)算，按車(chē)體、構(gòu)架等部件分類(lèi)輸出部件整體或局部動(dòng)力響應(yīng)。[0026]為準(zhǔn)確反映車(chē)體整體、局部振動(dòng)狀態(tài)，采用彈性車(chē)體有限元模型，并通過(guò)一系、二系連接系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)耦合組成列車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型。應(yīng)用無(wú)窮周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行軌道模擬，只需建立自由度極大縮減的典型軌道子結(jié)構(gòu)模型，并應(yīng)用其周期性邊界條件，就可以得到整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)的頻響特性。應(yīng)用虛擬激勵(lì)法進(jìn)行隨機(jī)軌道不平順處理，考慮不同輪對(duì)位置處隨機(jī)激勵(lì)為同源完全相干模式，按譜分解觀點(diǎn)構(gòu)造具有滯后相位虛擬簡(jiǎn)諧激勵(lì)。完成如上虛擬簡(jiǎn)諧激勵(lì)作用下，車(chē)輛-軌道結(jié)構(gòu)耦合動(dòng)力學(xué)虛擬簡(jiǎn)諧分析，并按虛擬激勵(lì)法基本原理完成功率譜響應(yīng)仿真計(jì)算，最終按車(chē)體、構(gòu)架等部件分類(lèi)輸出部件整體或局部動(dòng)力響應(yīng)。
[0027]車(chē)輛由車(chē)體(有限元模型)、2個(gè)轉(zhuǎn)向架和4個(gè)輪對(duì)構(gòu)成，它們之間通過(guò)一系和二系懸掛裝置連接。軌道視為三維三層離散點(diǎn)支撐的無(wú)限長(zhǎng)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，包括鋼軌，枕木和道床，選取相鄰枕木之間的鋼軌，以及軌下的枕木和道床作為子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。鋼軌采用空間梁?jiǎn)卧x散，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有5個(gè)自由度；軌枕視為剛體，考慮其垂向、橫向和轉(zhuǎn)動(dòng)3個(gè)自由度；道床離散為剛性質(zhì)量塊，只考慮其垂向振動(dòng)。
[0028]三類(lèi)軌道不平順模擬為零均值平穩(wěn)高斯隨機(jī)過(guò)程，且彼此互不相關(guān)，其功率譜分別為Sv(co)、Sa(?)和&(ω)。考慮4個(gè)車(chē)輪受到同源軌道的隨機(jī)激勵(lì)，其實(shí)質(zhì)為完全相干多點(diǎn)激勵(lì)問(wèn)題，四個(gè)輪軌接觸點(diǎn)處的軌道不平順組成的向量為:
[0029]Tj (t) = {rj (t-ti) Tj (t-t2) Tj (t~t3) r」(t_t4)}T, (j=v, a, c) (I)
[0030]其中rj(t)的功率譜矩陣，可以表示為如下形式:
【權(quán)利要求】
1.一種高速列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟A、建立列車(chē)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的隨機(jī)振動(dòng)數(shù)值仿真模型，完成功率譜響應(yīng)仿真計(jì)算，按車(chē)體、構(gòu)架等部件分類(lèi)輸出部件整體或局部動(dòng)力響應(yīng)； 步驟B、對(duì)列車(chē)線路測(cè)試傳感器進(jìn)行優(yōu)化布置，測(cè)量高速列車(chē)在線路運(yùn)營(yíng)時(shí)各測(cè)試點(diǎn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)域信息，測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)頻域功率譜分析處理后提取車(chē)輛部件動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征； 步驟C、由車(chē)輛系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)數(shù)值仿真功率譜與線路測(cè)試功率譜的吻合，建立動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)的基本方程，S(X)=Sni ； 其中，Sm為由所述步驟B實(shí)際測(cè)試的功率譜密度值，S(X)為相應(yīng)由修正模型計(jì)算的功率譜密度值； 步驟D、求解步驟C中的基本方程，獲得并輸出功率譜密度吻合條件下的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)檢測(cè)參數(shù)，完成車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)方法，其特征在于:在所述步驟A中，采用彈性車(chē)體有限元模型，并通過(guò)一系、二系連接系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)耦合組成列車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用無(wú)窮周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行軌道模擬，建立典型軌道子結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用虛擬激勵(lì)法進(jìn)行隨機(jī)軌道不平順處理，進(jìn)行車(chē)輛-軌道結(jié)構(gòu)耦合動(dòng)力學(xué)虛擬簡(jiǎn)諧分析，最終完成功率譜響應(yīng)仿真計(jì)算。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)方法，其特征在于:在所述步驟B中，所述測(cè)試傳感器的優(yōu)化布置，具體包括在列車(chē)軸箱、轉(zhuǎn)向架和車(chē)體安裝用于測(cè)試的傳感器，所述傳感器至少包括加速度傳感器，其中，前后轉(zhuǎn)向架加速度測(cè)試分為垂向、橫向兩個(gè)通道，車(chē)體加速度測(cè)試分前后橫向和垂向通道，轉(zhuǎn)向架、車(chē)體測(cè)試分為不同采集單元，每個(gè)單元均獨(dú)立工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)方法，其特征在于:在所述步驟B中，信息處理流程為軸箱、轉(zhuǎn)向架或車(chē)體測(cè)試信號(hào)，經(jīng)信號(hào)預(yù)處理模塊后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并經(jīng)信號(hào)處理分析進(jìn)行信號(hào)特征提取。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)方法，其特征在于:所述信號(hào)處理分析及特征提取采用現(xiàn)代功率譜估計(jì)方法，具體包括:首先通過(guò)對(duì)布設(shè)的所述傳感器采集的測(cè)試數(shù)據(jù)估計(jì)出信號(hào)的AR參數(shù)模型、MA模型或ARMA模型，再按照不同參數(shù)模型的輸出功率完成時(shí)域信號(hào)的功率譜估計(jì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)方法，其特征在于:在所述步驟C中，建立動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)的基本方程的步驟具體為: 建立影響車(chē)輛動(dòng)力學(xué)行為的參數(shù)列表體系，此參數(shù)列表通過(guò)映射關(guān)系最終反映在如步驟A中車(chē)輛動(dòng)力學(xué)有限元模型中； 通過(guò)修正系數(shù)調(diào)整車(chē)輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，并將車(chē)輛動(dòng)力學(xué)有限元模型中修正模型的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣表示為修正系數(shù)的函數(shù)； 如果步驟B實(shí)際測(cè)試的M個(gè)功率譜密度值表示為》Τ? =(5,'?'…，而相應(yīng)由修正模型計(jì)算的功率譜密度值表示為S (X) = (S1 (X)，S2 (X)，…，Sm(X) )\在理想情況下，修正后模型的計(jì)算功率譜值應(yīng)與測(cè)試功率譜值相等，即得S(x)=Sm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)方法，其特征在于:在所述步驟D中，采用信賴(lài)域型的L-M算法求解所述步驟C中的基本方程，獲得該基本方程的最小二乘解?！?br> 【文檔編號(hào)】G01M17/08GK103852269SQ201210506733
【公開(kāi)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, 丁叁叁, 田愛(ài)琴, 高寶杰, 項(xiàng)盼, 張有為, 趙巖 申請(qǐng)人:南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司