高速铁路多边形车轮通过钢轨焊接区的轮轨动力特性分析

车轮多边形磨耗和钢轨焊缝是轮轨界面重要的激振源,会加剧轮轨动力相互作用,严重时将威胁行车安全.既有研究主要关注单一激励作用下的轮轨动力响应,而多边形车轮通过钢轨焊接区普遍存在,对于两种激励叠加作用下的轮轨动力特性的研究尚不充分.基于此,本文采用高速车辆-板式轨道垂向耦合动力学模型,研究多边形车轮通过钢轨焊接区的轮轨动力响应特征,分析高速行车条件下车轮多边形阶数和波深对钢轨焊接区轮轨动力响应的影响规律.分析结果表明:车轮多边形不平顺变化率最大点与叠合型焊缝不平顺变化率最大点重合时,引起的轮轨动力响应波动幅值最大.多边形车轮通过钢轨焊接区时,在车轮多边形和焊缝不平顺的叠加作用下,产生了更明显的轮轨冲击效应,轮轨垂向力、轮重减载率、轮对垂向振动加速度、扣件力以及钢轨垂向振动加速度均显著增大,而对车体垂向加速度影响较小.高速行车条件下,轮轨垂向动力响应最大值整体上随着车轮多边形阶数和波深的增加而增大,在钢轨焊接区易出现轮轨瞬时脱离现象.     

重载机车车轮不圆演变规律及动态影响

针对六轴重载机车存在的车轮不圆顺伤损问题,开展了一个镟轮周期内的不圆顺现场跟踪测试,分析了车轮不圆顺随运行里程的演变规律及谐波分布特征.建立了重载机车-轨道纵垂耦合动力学模型,以不圆顺作为激扰输入,研究了不圆顺演变对机车轮轨动态相互作用的影响.结果表明,三轴转向架端部轮对不圆顺发展速率比中间轮对更快,运营至17×10~4km时,车轮径向偏差幅值最大接近0.9 mm, 1～3, 6～8阶谐波是车轮不圆顺的主要构成.不圆顺极易引起较大的轮轨垂向冲击振动和轮重减载现象,诱发轮轨高应力接触状态,不利于机车牵引性能的稳定发挥,尤以7阶谐波影响最为显著.运营里程超过10×10~4km时,建议进行车轮不圆检修.     

基于轮轨多点接触的浮置板轨道钢轨波磨安全限值分析

地铁线路中钢轨产生的波磨,会使轮轨相互作用恶化,危害车辆及轨道的使用寿命,进而导致养护工作量和维修费用的增加,甚至影响列车运行安全性.确定钢轨波磨安全限值并及时打磨是消除钢轨波磨危害的有效手段.为了确定浮置板轨道钢轨波磨安全限值,基于车辆-轨道耦合动力学理论建立车辆-浮置板轨道耦合动力学模型分析钢轨波磨对车辆-轨道耦合系统的动力学影响,并从车辆运行安全性、运行平稳性和车-轨动态作用性能3个方面考量,提出地铁浮置板轨道线路钢轨波磨的限值.为了更准确地描述轮轨相互作用,所建立的车辆-浮置板轨道耦合动力学模型采用了改进的Kik-Piotrowski方法以考虑轮轨多点非Hertiz接触.研究结果表明,钢轨波磨的出现会使得轮轨相互作用明显恶化,特别是波长小于75 mm的钢轨磨耗;随着钢轨波磨的波长减小、波深加大,轮轨垂向力、轮轨横向力以及脱轨系数、轮重减载率等评价指标都呈现恶化的趋势;其中轮重减载率受波长波深的影响最明显,在一定波长下,随着波深的增加,轮重减载率也最先超出安全限值.当列车运行速度为80 km/h时,波长为0.05 m左右的钢轨波磨的波深应控制在0.2 mm以下,波深为0.1 mm左右的钢轨波磨的波长应控制在30 mm以上.     

车辆-轨道耦合动力学理论的发展与工程实践

长期以来,车辆和轨道一直被分离成两个相对独立的子系统加以研究,形成了经典的车辆动力学、轨道动力学理论体系.现代铁路客运高速化、货运重载化,导致日益突出的车辆与轨道动态相互作用及其安全问题.因此,需要突破子系统研究框架,从整体大系统角度综合研究车辆-轨道相互作用机制,实现整体系统动力性能最优设计.车辆-轨道耦合动力学理论体系应运而生,在吸纳车辆动力学、轨道动力学理论成果的基础上,通过建立新型轮轨空间动态耦合模型,将车辆子系统与轨道子系统耦合成一个相互作用的整体大系统.本文概要介绍车辆-轨道耦合动力学理论的形成过程,重点阐述其学术思想、理论模型及其最新发展,在此基础上介绍基于该理论而形成的车辆与线路动态性能最佳匹配设计原理,最后选取若干典型工程案例,介绍该理论在中国铁路大发展中的应用实践情况.     

高速动车组轮轨载荷分布特征

轮轨载荷对高速动车组/轨道系统动力学性能和结构可靠性有十分重要的影响.目前研究主要给出了轮轨力峰值或者幅值,对其载荷分布规律很少涉及.本文制作了某型高速动车组测力轮对,实际线路上测试并获得了该型高速动车组运行过程中轮轨力引起的应变信号,最高测试速度368 km/h.对测试数据进行处理和分析,获得了列车高速直线和曲线运行工况下的轮轨力时间历程.统计了轮轨载荷峰谷值和频次,获得了不同速度等级下轮轨力分布规律.结果表明,轮轨垂向力总体上呈正态分布,而横向力呈威布尔分布;一般列车运行速度越高,轮轨力波动范围越大;列车350 km/h直线运行时的最大轮轨垂向力约为156.6 kN、最大轮轨横向力为26 kN;曲线半径和列车曲线通过速度对轮轨力幅值有明显影响.本文给出的轮轨载荷统计特征,为高速轮轴结构设计和轨道系统结构损伤研究等提供了重要帮助.     

肌球蛋白分子马达的多力场耦合机理分析

肌肉收缩中肌球蛋白分子马达的微观循环过程动态力学原理尚未揭示清楚,从影响肌球蛋白分子马达的vander Waals力、Casimir力、静电力及布朗力耦合作用入手,研究了肌球蛋白分子马达向肌动蛋白丝接近过程中的动态力学行为,构建了相应的动力学模型,并通过Monte Carlo方法对随机动力学方程进行了模拟计算.结果表明,接近过程中当分子马达与肌动蛋白丝表面距离大于3nm时,起主要作用的力为Casimir力和静电力;当距离小于3nm时,vander Waals力和静电力使分子马达向肌动蛋白丝轨道快速接近.通过比较几个力的影响发现,接近过程中两结合位点的静电力起主导作用,计算结果与肌球蛋白分子马达实验结果符合较好.     

重载机车与102车钩系统的相互作用关系

针对某型重载机车与102型车钩,对102型车钩在直线与曲线上的稳钩机理及其与重载机车的相互作用关系进行了理论分析,并运用建立的双机重联动力学模型,计算分析了重载机车与102车钩系统在直线、曲线上的动态运行性能.结果表明:在直线上,当纵向压钩力增加时,车钩挡肩能够限制车钩偏转,维持机车-车钩系统的稳定,使得机车车体与转向架相对位移以及轮轴横向力基本保持不变;在曲线上,连挂车钩后端处车体与车钩的相对转角大于前端,将造成连挂车钩后端挡肩先与前从板发生接触,而前端仍处在自由角范围内,且曲线半径越小,使连挂车钩后端前从板达到临界转动状态的纵向压钩力越大.机车通过400, 800 m半径曲线时,随着纵向压钩力的增加,连挂车钩后端处轮轴横向力随之增大,而前端处轮轴横向力随之减小;机车通过300 m半径曲线时,机车车体与前转向架二系止挡发生刚性接触,随着纵向压钩力的增加,连挂车钩后端处轮轴横向力明显增大,而前端处轮轴横向力基本保持不变.     

聚光和非聚光光伏-热电耦合系统的优化

基于能量平衡建立了光伏-热电(PV-TE)耦合发电系统的一维稳态导热模型,研究了在不同的光伏电池效率温度系数和热电优值系数条件下PV-TE耦合发电系统的性能.(1)对于非聚光PV-TE耦合系统,分析了热聚焦因子、热电引脚长度和TE模块的负载电阻与内阻之比对系统发电效率的影响.结果表明:在TE模块的优值系数Z=4×10~(-3)K~(-1),电池效率温度系数β_(ref)=0.001 K~(-1)的情况下,系统总效率相对较好.此时总效率随着热聚焦因子、热电引脚长度、TE模块的负载电阻与内阻之比的增加,均是先增大后减小.因此,可选择最佳的热聚焦因子、热电引脚长度、负载电阻的值,使系统总效率达到最大值.(2)对于聚光PV-TE耦合系统,研究了热电引脚对数和热扩散因子对系统性能的影响.结果表明在Z=2.545×10~(-3)K~(-1),β_(ref)=0.001 K~(-1);Z=4×10~(-3)K~(-1),β_(ref)=0.001 K~(-1);Z=4×10~(-3)K~(-1),β_(ref)=0.0015 K~(-1)情况下,总效率随着热扩散因子的增加而减小.当热扩散因子从0.32上升到5.12时,对于其他β_(ref)和Z的情况,总效率会显著增加.当热扩散因子继续增大时,由热扩散因子增加引起的效率变化非常平缓,原因在于热扩散因子足够大时,热传递非常快,PV电池和TE热侧的温度随热扩散因子变化很小.基于研究结果,可以发现当聚光系统的热扩散因子在3.0左右时,耦合系统具有相对高的效率.     

金属熔体微滴凝固过冷度的DSC研究

采用DSC实验方法研究了冷却速率对金属熔体微滴凝固过冷度的影响, 并从理论上进行了分析, 得到了冷却速率对过冷度的影响及其变化趋势的具体规律. 结果表明, 过冷度随着冷却速率增大而提高, 且过冷度随冷却速率增大而变化的趋势逐渐减小. 当冷却速率无限增大时, 过冷度随冷却速率增大而提高的趋势趋近于零, 由此可知过冷度随着冷却速率的增大而提高存在上限极值.     

电离子作为凝结核时电量对液滴生长的影响

从一般的化学势形式及传质动力学方程出发推导了有电离子作为凝结核时液滴生长的动力学模型,并对该模型进行了简化,在此模型基础上,分析讨论了电离子电量对液滴生长的影响.研究结果表明:有电离子作为液滴凝结核时,液滴生长的无因次液滴中肯半径比无电离子条件下液滴生长的中肯半径要小,液滴容易生长.同时也得到:当有电离子作为液滴凝结核时,如果液滴初始半径小于中肯半径,液滴将不会消失,而是趋于某个稳定值;随着无因次电量θ的不断增加,无因次液滴中肯半径不断减小,而液滴相应的稳定值则不断增大,当θ增大到一定程度时,不论液滴初始半径值如何,液滴都不会减小而是始终增长.     

密度分层流体中不同长径比拖曳潜体激发内波特性实验

在具有连续密度跃层的分层流体中,针对3种不同长径比拖曳潜体激发内波的运动学与动力学特性进行了系列实验.从拖曳潜体产生扰动密度场的动态时间序列测量结果入手,表明体积效应激发内波属于一种相对于拖曳潜体定常的多模态Lee波结构,而尾迹效应激发主控内波为相对于拖曳潜体非定常的拟Lee波结构,这是一类由湍流尾迹中大尺度相干结构作为移动源激发的内波结构.研究表明,在Lee波与拟Lee波之间存在一个与长径比近似为线性关系的临界转捩Froude数Frc,而且转捩后拟Lee波相关速度相应Froude数近似为一个常数0.8.研究进一步表明,存在一个与长径比近似为线性关系的Froude数Frp,当FrFrc时,拟Lee波为主控内波,无因次内波峰-峰幅值随Fr增大近似线性增大,而且长径比的影响可以忽略,其中Fr为拖曳潜体特征直径Froude数.     

氢气-空气-稀释气混合气层流燃烧速度的测定和火焰稳定性分析

利用球型发展火焰研究了常温常压下不同燃空当量比(0.4~4.5)、稀释气(N₂, CO₂和15%CO₂+85%N₂)和稀释度(0, 0.05, 0.10和0.15)时氢气-空气-稀释气混合气的预混层流燃烧速度和马克斯坦长度, 分析了火焰拉伸对火焰传播速度的影响. 研究结果表明: 氢气-空气-稀释气混合气的层流燃烧速度和马克斯坦长度均随稀释度的增大而减小, 火焰稳定性下降, 胞状火焰前锋面出现的半径位置提前. 在同一稀释度下, 层流燃烧速度在当量比为1.8处达到最大值, 马克斯坦长度随当量比的增加而增大. CO₂作为稀释气对层流燃烧速度和马克斯坦长度的影响大于N₂作为稀释气对层流燃烧速度和马克斯坦长度的影响.     

混噪驱动微生物生长随机动力学模型

提出了混噪驱动微生物生长随机动力学模型,并进一步开发了改进的Box-Mueller算法用于对该动力学模型进行模拟计算.分别考虑(1)在噪声相关时间不变时,噪声强度扩大2,5,10,20倍对模型的驱动影响作用;(2)在噪声强度不变时,噪声相关时间缩小10,100,1000倍对微生模型曲线浓度值的影响作用.噪声对该模型产生了明显影响,噪声强度与噪声的影响效果呈正相关,模型峰值及峰值所出现的时间随噪声强度的变化而变化;当相关时间大于2.8×10-6 s时,白色噪声的影响作用很小可以直接忽略,而当其小于2.8×10-6 s时,彩色噪声的影响作用可以忽略不计.噪声可以显著影响微生物细胞的生长速率,故可以通过改变噪声强度和相关时间来影响噪声的波动,从而更好地优化微生物降解动力学模型.     

幸福零重量

体验零重量 零重量,有时被称为微重力或失重。当航天飞机进入太空处于真空状态的时候,零重量就产生了。因为航天飞机在几百千米高的轨道上运行的时候,受两种力的作用：一种是地球重力,也就是地球引力,将航天飞机往地心拽;另一种是航天飞机围绕地球飞行产生的离心力或惯性力。当离心力方向与重力方向相反时,重力与离心力相互抵消,因而产生微重力或零重量。     

模拟运动流体中柔性体耦合振动的数值方法

介绍了一种模拟流体诱发柔性体运动的数值方法. 该方法采用二维面元法计算流体作用力, 用模态叠加法求解欧拉梁的运动控制方程, 通过迭代来求解流固耦合问题. 利用该方法模拟了单个以及两个并行、串行排列的柔性梁在运动流体中的耦合运动. 计算结果表明, 均匀来流中单个柔性梁的稳定边界和流体诱发振动都与前人结果一致. 对于两并行排列的柔性体, 当无量纲间距H<0.25时, 两柔性体同向摆动; H>0.25时, 两柔性体反向摆动, 并且摆动频率在模式转换时发生突变; 当间距很大时(H>1.0), 两并排柔性体之间的耦合作用明显变弱, 两个物体运动呈解耦状态, 各自按照单个柔性梁在来流中的运动形态运动. 相同均匀来流中两串行柔性梁的数值模拟结果显示, 当排列间距很小时, 上游物体受到的阻力减小, 下游物体阻力增大. 本文计算的所有结果都与前人实验结果定性一致, 证明本文提出的方法可以用来模拟不同方式排列的多个柔性体在流体中的耦合运动.     

信息反馈在非对称双通道交通中的影响

在交通系统中, 一种合理的信息反馈能够缓解交通拥堵, 提高道路的通行能力. 运用两种改进的信息反馈(改进的平均速度反馈和改进的拥挤系数反馈)研究了非对称的双通道交通系统. 模拟结果显示, 出行者平均出行时间与入口处车辆到达概率有关: 当到达概率较小时, 采用改进的平均速度反馈能节省出行时间; 当达到概率较大时, 采用改进的拥挤系数反馈更能节省出行时间. 另外还考察了系统中动态车比例、道路上瓶颈位置、瓶颈长度及道路长度等参数, 发现改进的拥挤系数反馈能够更好地提高道路的通行能力.     

非绝热量子动力学模拟方法及其在凝聚态体系中的应用

密度泛函理论(density functional theory, DFT)可以准确地预测由电子和原子核组成的普通物质的基态电子结构,而当涉及量子体系含时演化的模拟时,比如模拟超快激光与分子或凝聚态体系相互作用的激发态动力学过程,就需要发展实时密度泛函理论(real-time time-dependent density functional theory, rt-TDDFT)和非绝热动力学相结合的新颖计算方法.本文介绍了基于rt-TDDFT的Ehrenfest动力学方法,并结合路径积分分子动力学提出了RPTDAP量子动力学方法. RP-TDAP方法引入了非绝热效应和原子核的量子效应,可以对电子波函数和原子核波包构成的耦合系统进行量子化动力学模拟.这些方法使我们不仅可以准确地理解激发态电子结构、电声相互作用、光致电荷传输、光化学反应等非绝热过程的内在机理,而且可以超越平均场理论给出一个全新的视角来描述原子核的量子行为.本文还应用这些方法研究了几个重要的非绝热动力学现象,说明这些方法可以广泛地用于复杂体系的量子激发超快动力学研究.     

地球同步轨道磁场和等离子体行为对行星际激波的响应

行星际激波是一个影响全球地空环境包括磁层-电离层时空变化的重要因素. 主要利用1997~2007年的GOES卫星磁场数据和1997~2004年的LANL卫星的等离子体(MPA)数据, 采用个例分析和时间序列叠加的统计分析方法来研究地球同步轨道磁场和等离子体质子(0.1~45 keV)和电子(0.03~45 keV)在行星际激波到达前后3 h内的变化特征以及质子和电子温度各向异性变化可能激发的电磁离子回旋波和电子哨声波. 研究结果表明, 激波锋前到达同步轨道后, 同步轨道总磁场强度在白天扇区(8~16 LT)有明显增强, GSM坐标系下的B_Y分量在激波到达前后几乎无变化, B_Z分量与总磁场变化趋势非常一致. 同步轨道质子密度在夜晚扇区明显增加, 峰值到达1.2 cm⁻³. 质子温度在夜晚扇区增强, 正午之前的扇区(8~10 LT)温度减小. 同步轨道电子密度和温度整体上都是夜晚扇区增强, 白天扇区减弱, 密度峰值为2.0 cm⁻³. 推算出的氧离子密度在激波的影响下黄昏侧密度峰值为1.2 cm⁻³, 并表现出明显的晨昏不对称性. 质子的温度各向异性在正午扇区增强, 夜晚扇区的各向异性明显减小. 在激波锋前到达同步轨道之前, 电子的温度各向异性白天扇区高于夜晚扇区, 在激波锋前到达之后, 正午和黄昏扇区的各向异性几乎不变, 而午夜扇区温度各向异性明显减小. 质子和电子的温度各向异性可能激发电磁离子回旋波和电子哨声波. 根据质子的温度各向异性计算的电磁离子回旋波强度在激波到达后白天扇区(8~16 LT)迅速增加, 最大值为0.8 Hz. 根据电子的温度各向异性计算的电子哨声波在激波到达同步轨道之后表现为白天扇区(8~16 LT)明显增大, 最大值接近2 kHz左右, 夜晚扇区电子哨声波明显减小.     

红荧烯掺杂有机薄膜中的单重态激子裂变过程

在室温下测量了红荧烯掺杂有机薄膜光致发光的磁场效应.磁场效应的线型可以归结为外加磁场对掺杂的红荧烯分子间发生单重态激子裂变过程的调控作用.实验发现,光致发光磁场效应的幅度与红荧烯分子间的平均间距之间展现出非线性的对应关系.这种现象说明,当改变掺杂分子间的间距时,掺杂分子间的耦合强度变化可以对激子裂变过程的强度产生重要的影响.在理论上,磁效应幅度与分子间距之间的非线性关系可以采用朗道-齐纳的非绝热跃迁理论进行解释.而实验上,研究分子间耦合强度改变时激子裂变过程的变化,是研究激子裂变过程微观动力学的一种重要方法.本研究工作表明,对于利用单重态激子裂变敏化的有机光伏器件,分子间的耦合强度是一个需要考虑的重要因素.     

A/SDS复配体系中管状结构的自发形成

利用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和动态光散射(DLS),研究了磷酸三酯(PTA)与十二烷基硫酸钠(SDS)混合体系在水溶液中囊泡的自发形成及其向管状结构的转化.当PTA/SDS摩尔比为3︰7,总浓度为0.01mol/L时,观察到球状囊泡聚结成直径约100nm,长度约7000nm的管状结构.而且管状结构的直径、长度及数量均随表面活性剂总浓度及样品放置时间的增加而显著增长.