高速铁路钢轨焊接区不平顺的动力效应及其安全限值研究

应用车辆–轨道耦合动力学理论及其仿真分析软件TTISIM,研究了钢轨焊接区低塌不平顺对轮轨动力响应的影响特征,分析了高速行车条件下典型焊接区低塌不平顺波长和幅值对轮轨动力响应的影响规律,在此基础上,提出了高速铁路钢轨焊接区不平顺幅值的安全限值.分析结果表明:钢轨焊接区不平顺会导致明显的轮轨冲击效应,且该冲击作用由短波不平顺所控制;高速行车条件下,轮轨动力响应随着焊接区不平顺波长的增大而减小,随行车速度和不平顺幅值的增大而增大,其中,轮重减载率指标受不平顺波长和幅值的影响更为显著,为钢轨焊接区不平顺作用下行车安全性的首要控制指标;高速行车条件下,钢轨焊接区不平顺幅值的安全限值随行车速度的增大而减小,随不平顺波长的增大而增大,叠合形不平顺幅值的安全限值受短波不平顺(波长小于0.2 m)波长和幅值的影响较大;在200~250 km/h行车速度等级,1 m直尺测量矢度条件下,余弦形低塌不平顺幅值的安全限值为0.82 mm,叠合形低塌不平顺在1 m长波幅值为其作业验收限值0.3 mm时,其短波不平顺幅值的最大安全限值为0.2 mm,叠合形不平顺幅值总的安全限值最大为0.5 mm;在250~350 km/h行车速度等级,1 m直尺测量矢度条件下,余弦形低塌不平顺幅值的安全限值为0.62 mm,叠合形低塌不平顺在1 m长波幅值为其作业验收限值0.2 mm时,其短波不平顺幅值的最大安全限值为0.14 mm,钢轨焊接区叠合形低塌不平顺幅值总的安全限值最大为0.34 mm.研究结果可为高速铁路钢轨顶面焊接区不平顺的养护维修管理提供理论参考.     

地面城市轨道交通环境振动源的反演

地面城轨列车运行引起周边场地环境振动．针对振动源难以直接量测的困境,本文借助工程地震学的反演方法研究轮一轨不平顺的动力激励源．将地表振动的列车．轨道一三维场地耦合动力分析与遗传算法结合,通过待反演量解空间的设置、反演问题目标函数的建立、反问题求解的遗传策略设计等步骤构建了轮一轨不平顺振源函数和轨道结构参数的联合反演方案．依据实际观测数据反演了北京城轨13号线的激励功率谱,结果显示：振源函数在1．2m以上的波长范围反映了轨道不平顺性,在1．2m以下的波长范围表达了车轮的几何与弹性不圆顺．本文强调指出,城轨车速较低,这个短波长段恰恰对应环境振动的主要频带．以轨道谱表达轨道交通环境振动源,1．2m以下短波长的不平顺会被低估,严重影响环境振动主要频率成分的估计．相对轨道谱只反映轨道的平顺状况,轮．轨谱既反映轨道不平顺因素,又包含车轮不圆顺状况,更适合作为城轨交通的振源函数．同时也表明,用地表振动实测数据反演振动源,是定量揭示轮．轨组合不平顺的有效途径．     

高速铁路路桥过渡段不均匀沉降与钢轨变形的映射关系及动力学应用

路桥过渡段不均匀沉降对高速车辆的行车安全性及舒适度影响较大.本文研究了路桥过渡段不均匀沉降与钢轨变形的映射关系,并将其应用于分析高速动车通过该区域时的动力学特性.首先,分析了路桥过渡段不均匀沉降引起钢轨变形的机理.然后,建立了铺设有CRTS-Ⅲ型板式轨道的路桥过渡段有限元模型,通过大量计算,分析了高速铁路路桥过渡段不均匀沉降与钢轨变形的映射关系.在此基础上,基于最小二乘多项式拟合原理,得到该映射关系的函数表达.最后,基于车辆-轨道耦合动力学理论,分析了高速动车以不同方向通过路桥过渡段的动力学性能.研究结果表明:路桥过渡段发生不均匀沉降后的钢轨变形可通过函数式进行描述.轮轨垂向力随着过渡段不均匀沉降差的增加变化不明显,车体垂向加速度随着过渡段沉降差的增加而增大.动力学分析结果可为高速铁路路桥过渡段的施工与养护维修提供技术参考.     

激励-传播-感知全路径楼盖人致振动舒适度评估

结构响应的加速度峰值是评价振动舒适度的常用指标,事实上人作为评判是否舒适的唯一感知体,而以结构的响应来评判人的舒适性则不够全面.为了全面评估楼盖的振动舒适度,提出基于激励-传播-感知全路径的人致振动舒适度评估框架,建立激励-传播-感知耦合振动控制方程,控制方程是与时间相关含Dirac函数的偏微分方程,用微分求积-积分求积(DQ-IQ)混合法进行处理,进而用Newmark法即可得到楼盖和感知者的加速度响应,并以概率的方式对结构的振动舒适度进行评估.以CFS(冷弯薄壁型钢)组合楼盖为例进行分析,分别用振型叠加法和DQ-IQ混合法计算当行人以不同步频通过楼盖时楼盖与感知者的加速度响应,对比两种方法的计算结果,验证DQ-IQ法的准确性.当行人以慢速、中速和快速步频通过楼盖时,可得到相应步频下楼盖和感知者特定的加速度峰值对应的概率值以及小于或等于某个特定加速度峰值累计概率值.假定感知者和结构具有相同的舒适度限值,以加速度峰值在小于等于0.05 m/s2的累计概率值作为参考,将同等累计概率值所对应的感知者的加速度峰值与楼盖加速度峰值进行对比.结果表明,增加楼盖阻尼比可提高舒适度概率;在同等条件下,感知者的加速度峰值大于楼板的加速度峰值,舒适度概率前者小于后者,故在评估振动舒适度时,很有必要将感知者的加速度峰值也作为舒适度评价的参考依据.     

结构动力分析实际地震动输入的选择与能量评价

针对结构动力分析过程中实际地震动记录的合理选择问题,对选择实际地震动记录的思路、选择过程中数据库的建立及记录的筛选、选择地震动记录的原则、幅值调整和样本数量等问题进行了分析,提出了采用遗传算法和贪婪算法相结合的方式优化选择地震动记录样本的方法,对目前采用匹配设计加速度谱方法选择的实际地震动记录的输入能量特征进行了分析.采用所提出的优化选择方法可以使选择的记录均值谱与目标谱在控制周期段内较好的吻合,各记录反应谱之间的离散性较小,而且可以控制重要周期段各周期点均具有比限值更小的误差.考虑结构的累积损伤或分析具有明显耗散特性元件的结构,采用仅匹配加速度设计谱选择的记录并不适用,建议了考虑输入能量需求选择地震动输入的方法.     

高速铁路无砟轨道疲劳检算轮载的动力学分析

应用列车-线路耦合动力学理论及仿真软件,分析了高速运营线路轮轨系统动力学响应并与实测结果进行了验证.在此基础上,采用我国典型高速车辆及无砟轨道结构,系统分析了高速铁路无砟轨道不平顺谱对轮轨动作用力大小及统计特性的影响规律.结果表明,列车-线路耦合动力学方法可以比较准确地模拟高速行车条件下轮轨动力相互作用,取百分位数75的无砟轨道谱作为激励输入可用于评估轮轨系统动力相互作用及高速行车安全性和舒适性,高速铁路无砟轨道结构的疲劳检算取为静轮重的1.5倍是合理的.     

计算机控制光学表面成形中的频域分析

计算机控制光学表面成形（CCOS）工艺容易在光学零件表面产生中高频误差,从而影响光学系统的性能.为了对中高频误差进行有效控制,以卷积积分模型为基础,主要考虑加工过程的材料去除有效性,提出了修形能力值、材料去除有效率等概念,定量分析了CCOS工艺过程对不同频率成份误差的修正能力.分析得出CCOS工艺过程的材料去除有效率取决于工艺过程的去除函数,正好等于去除函数傅里叶变换的归一化幅值谱.最后,利用离子束成形工艺进行了3个正弦函数面形的刻蚀试验,对理论进行了验证.本文所采用的方法和得出的结论为分析和优化CCOS工艺提供了强有力的数学支持.     

两硬薄煤层综采工作面围岩运动规律与矿压显现规律研究

针对姜家湾煤矿8213薄煤层综采工作面的地质条件,并结合8213薄煤层工作面现场连续观测矿压数据,应用相似材料模拟和现场实测两种方法对工作面矿压显现规律及围岩运动规律进行研究.研究表明,姜家湾矿8213工作面老顶初次来压范围是40～41 m,老顶周期来压是12～22 m,来压期间矿压显现强度平均在20 MPa左右,顶板运动范围为工作面上方6～23 m.这说明薄煤层工作面顶板的运动范围较小,工作面来压强度较低.     

颗粒污染诱导薄膜元件产生激光损伤

采用Nd:YAG单纵模调Q激光器,研究了溶胶-凝胶SiO_2薄膜表面颗粒污染对激光辐照损伤的影响.实验表明当膜面存在颗粒时,激光破坏阈值明显降低.尤其是前表面颗粒,最容易诱导损伤,损伤斑中央处基底的烧蚀很严重,且伴有环状变化.从损伤形貌来看,污染后的薄膜更容易出现场致损伤和基底破坏.为了深入研究这一现象,采用了电磁波时域有限差分(FDTD)法对减反射薄膜表面的颗粒污染进行了模拟研究.结果表明,前表面颗粒的调制强度要大得多.颗粒污染诱导的调制最强区位于基底一侧一个波长内,容易诱发损伤.在元件体内,光强呈衰减趋势,在3倍波长深度后逐渐趋于稳定.颗粒物诱导激光损伤问题的量化,可为亚表面缺陷的检测和控制提供依据.     

国家游泳中心子结构模型损伤识别试验研究

为对复杂空间结构进行损伤识别, 在损伤定位向量法的基础上, 提出了基于测点区域的损伤识别方法, 并引入归一化损伤定位指标判定损伤区域. 对国家游泳中心“水立方”子结构模型的两种损伤状态进行了识别试验. 采用力锤激励, 实测了子结构模型损伤前后的加速度响应, 利用特征系统实现算法对加速度响应进行模态参数识别, 采用基于测点区域的识别方法对子结构模型损伤区域进行判定. 结果表明, 所用方法能够有效定位损伤区域.     

北京气象塔湍流风速谱的统计模型

分别采用希黄变换和傅立叶变换计算北京气象塔实测湍流的风速谱,提出了一种同时符合惯性子区和大涡范围内能谱特性的风速谱模型,采用最小二乘法确定了风速谱模型中的参数,比较了傅里叶变换风速谱和希黄变换风速谱的异同.研究结果表明,希黄变换风速谱在含能区范围内的谱值略大于傅里叶变换风速谱,在惯性子区和耗散子区的谱值非常接近傅立叶变换的风速谱;采用希黄变换统计分析风速谱能够更细致、准确地反映风速谱低频区的谱值;拟合得到的风速谱模型为北京城区近地面风场的风洞再现及数值模拟提供了参照依据.     

现代有轨电车嵌入式轨道复合地基优化分析

为分析有轨电车嵌入式轨道复合地基关键参数并获得最优参数组合,采用有限单元法,建立嵌入式轨道复合地基计算模型.在既有研究的基础之上,采用正交试验方法研究了道床板厚度、支承层厚度、桩身弹性模量、桩径、桩纵向间距这5个关键影响因素对嵌入式轨道复合地基受力和变形的影响,并分别采用极差分析和方差分析对计算结果进行了分析,从而得到了关键影响因素和最优参数组合.结果表明:采用正交试验方法,可以在保证分析结果正确性的基础之上大大减少试验次数;桩身弹性模量对钢轨竖向位移影响最大,支承层厚度对道床板纵向弯矩影响最大,桩径对钢轨竖向位移影响较大;桩纵向间距对钢轨竖向位移、轨道纵向弯矩和支承层纵向拉应力的影响均极显著,故在确定桩纵向间距取值时,应综合考虑轨道结构的服役性能和复合地基的工程造价;最佳有轨电车嵌入式轨道水泥土搅拌桩复合地基设计方案为道床板厚度0.20 m、支承层厚度0.26 m、桩身弹性模量280 MPa、桩径0.75 m、桩纵向间距1.40 m.本研究成果对有轨电车嵌入式轨道复合地基设计具有参考价值.     

澳门友谊大桥“鹦鹉”台风的湍流特性实测和分析

为了探索、了解登陆台风强风过程的湍流特性和空间相关特性,利用设置在澳门友谊大桥主跨桥中相距30m的两台三维超声测风仪实测的"鹦鹉"台风过程数据,在数据可靠性、代表性判别基础上,采用谱分析、数值模拟和统计等方法,重点分析了"鹦鹉"台风过程的强风时段的平均风速和风向特征、湍流强度、湍流积分尺度、湍流功率能谱、空间相关系数和相干函数等.实测数据分析发现:(1)同步观测的两台测风仪获取的台风过程平均和湍流风特性变化均具有很好的一致性,台风的过程风速呈"M"型双峰分布,大于8级强风的风向转换了122°方位角;(2)台风眼壁强风区纵、横和垂直向湍流强度之比为1:0.96:0.36,与规范推荐的1:0.88:0.5相比,横向湍强更大,垂直向湍强较小;(3)台风眼壁强风区积分尺度增大,"鹦鹉"表现在其中心经过前的强风区湍流积分尺度是非台风风况的2倍左右;(4)脉动风空间相关性、相干函数曲线和衰减系数在台风过程的不同时刻存在显著差异,台风眼壁强风区水平向脉动风的空间相关性较强,水平空间相关谱随频率的衰减速度较慢,相干函数的衰减拟合系数C值最小为4.67,小于规范下限值;台风中心经过时刻衰减系数最大为27.75,也较规范给出的上限值大.上述"鹦鹉"的强风特征参数,部分地表征了台风强风的湍流和空间相关特性.     

355nm脉冲激光清洗溶胶-凝胶膜面颗粒污染

在强激光系统中,光学元件表面的颗粒污染极大地限制了元件的使用寿命.本文在355 nm纳秒脉冲激光入射下,采用激光等离子体冲击波光栅式扫描技术,清洗了溶胶-凝胶Si O2薄膜表面的石英颗粒污染.当瞄准距d取为0.5~1.5 mm时,膜面的清洗效率η达到90%以上.当d0.5 mm时,膜面易产生等离子体灼伤.当d接近3 mm时,清洗效果基本丧失.采用紫外-可见分光光度计、静滴接触角测量仪与原子力显微镜对样品进行测试.结果表明,冲击波清洗之后,元件透射峰能恢复到污染前的状态.由于冲击波对颗粒的碎裂作用,清洗后膜面均方根粗糙度由1.755 nm增大为2.681 nm,膜面与水的接触角由48°减为6°,其抗污染能力明显变差.     

地震动随机场的POD降维表达

本文从本征正交分解(POD)的基本理论出发,推导了非平稳随机向量过程的两类POD表达,即基于正交随机变量的POD表达和基于随机相位角的POD表达.澄清了基于随机相位角的POD表达是基于正交随机变量的POD表达的一个特例,并从基本随机变量的数量和约束条件两个方面剖析了它们之间的差异,发现通过施加约束条件可以有效地降低随机向量过程模拟的随机度(基本随机变量的数量).为此,通过对基于正交随机变量的POD表达施加更强的约束条件,实现了仅用2个基本随机变量即可对非平稳随机向量过程进行高效降维模拟,进而可在全概率信息上精细地表达非平稳随机向量过程.通过对地震动随机场模拟的数值分析,得到了非平稳地震动加速度向量过程的均值、标准差、演变功率谱及相关函数等均与目标值拟合一致的良好结果,说明了本文方法的有效性.同时,为了进一步从地震动的工程特性方面验证本文方法的适用性,根据《中国地震动参数区划图》中划分的5种场地类别,选取920条实测强震动记录,从地震动加速度的反应谱和傅里叶幅值谱两个方面进行了对比分析.研究表明,本文方法模拟结果与实测强震动记录具有很好的一致性,这为本文方法的工程应用奠定了坚实基础.     

航天成像光谱仪CHRIS辐射与光谱性能评价

CHRIS是欧空局于2001年10月成功发射的PROBA卫星上搭载的探索性高光谱遥感器,它共有5种可选择的作业模式,在可见光到近红外(0.4～1.05μm)范围,最多可以获取62个波段.文中采用基于图像自身的大气校正方法(模型法ACORN和经验法),在图像上选取最具代表性的植被和土壤光谱,对CHRIS这一新型的航天成像光谱仪进行了光谱与辐射性能评价.计算显示,ACORN校正得到的玉米反射率在498～750nm波长区间能够较好地表征植被的反射率光谱特征(如红边特征),尤其是在对气溶胶敏感的蓝光部分比经验方法更有优势,但是在750nm之后就有很大偏差,表明CHRIS在750nm之后的波段存在光谱定标误差;土壤光谱反射率在800nm之后有递减的误差趋势,表明CHRIS在部分波长区间还不能满足模型法大气校正的要求;ACORN反演得到的水汽含量分布图上存在的竖条纹,则表明CHRIS的辐射定标性能的不足.CHRIS仪器作为欧空局第一个真正意义上的航天高光谱遥感器在光谱和辐射性能上仍有待改善.     

基于分子间作用力的敏感效应与痕量检测生化传感器

在微纳米尺度的机电敏感结构表面进行功能分子层修饰,通过与目标靶分子特异性结合,在表面形成Gibbs自由能的变化,由此产生的纳机械表面应力可被结构上集成的机电敏感元件转换成实时电信号输出.首先对固体表面分子层自组装产生纳机械表面应力的机制进行研究,将表面上形成的单分子层(self-assembled monolayer,SAM)按作用原理在纵向(即分子层厚度方向)上分为头基、分子链和尾基三层结构分别进行了基于纳机械敏感实验的原理揭示,在此基础上发明了一种作图法来定量评估和分析自组装分子层对表面能变化的作用.为使分子作用产生纳机械敏感效应在痕量生化分子快速检测识别中得到应用,首次将纵向分子特异性作用和相邻分子间横向作用区分开来,通过不同类型分子间作用的分析和实验验证得到如下结论:横向分子作用是产生表面应力值大小和正负(张应力或压应力)的决定性因素,而分子纵向作用主要是通过对分子层自组装有序性的调节来影响表面应力产生.在对各种横向分子作用机制分析的基础上,提出并用实验验证了分子间氢键作用可产生最高灵敏度的纳机械敏感效应.此后介绍了特异性分子作用产生表面应力的敏感效应在生化痕量快速检测传感器的应用.采用微纳悬臂梁作为敏感效应的转换器,将表面应力转换为悬臂梁弯曲,利用集成在悬臂梁内的压阻器件进行电信号输出.通过在悬臂梁表面金薄膜上修饰巯基双层分子敏感基团,实现了对ppb量级有机磷毒害蒸气的快速检测.为实现敏感分子层长期稳定工作,针对TNT爆炸物分子检测提出并实现了在悬臂梁硅表面直接两次嫁接自组装硅烷基敏感基团,进而解决了传感器对ppt量级TNT检测的长期稳定性问题.通过对传感器电绝缘的有效处理,又实现了对1.5×10-11 mol/m L浓度链霉亲和素的生物溶液在线检测.     

高速动车组S38C车轴疲劳强度及剩余寿命评价

本文通过实验获得S38C车轴的残余应力场、基本力学性能和断裂性能,采用表面单位压力法及二次迭代,在实物车轴中重建出径向梯度分布的压缩残余应力,基于实测载荷谱进行含缺陷S38C车轴的剩余寿命预测.分析结果表明:残余压应力对裂纹扩展有显著的抑制作用,深度小于4 mm的初始裂纹不扩展;经典Paris方程和NASGRO方程估算寿命分别约为28.5万公里和89.3万公里.当深度大于7 mm时,裂纹扩展速率迅速增大,因此,把7 mm作为S38C车轴损伤容限分析止裂判据比较合理.研究方法和结果对于含缺陷表面强化铁路车轴的疲劳强度及剩余寿命评价具有重要意义.     

铁路钢板结合梁桥约束阻尼层减振降噪分析

约束阻尼层通过剪切变形耗散振动能量,能在较宽的频率范围内达到减振降噪的目的.本文基于模态应变能法,车-线-桥耦合振动和统计能量分析,提出了约束阻尼层铁路结合梁桥的振动与噪声理论计算模型.对某(32+40+32) m连续板梁钢-混结合梁桥敷设约束阻尼层后的振动与噪声进行了仿真分析和现场测试.分析结果表明:敷设约束阻尼层后该桥振动与噪声理论计算与现场实测结果吻合良好,本文提出的约束阻尼桥梁振动与噪声计算方法可行;全桥在钢梁的腹板敷设约束阻尼层328.23 m~2后,振动加速度在整个分析频段内都得到了有效的降低,腹板和下翼缘振动加速度级分别降低8.1和4.4 dB;场点S1和S2噪声值分别降低4.2 dB(A)和4.3 dB(A);阻尼层剪切模量和厚度存在一个最优值;当约束层厚度过大时,低频段的降噪能力逐步退化.     

深空站区域对流层延迟模型构建及在嫦娥四号中的应用

深空干涉测量系统实时模式下主要依赖经典模型进行对流层延迟修正,但修正效果不佳,严重限制了实时测量精度.基于此,本文构建了一种区域高精度对流层延迟模型.首先,通过对流层延迟实测值与模型值的比对确定了Saastamoinen模型天顶延迟估计的修正系数,修正后对流层天顶延迟偏差由1.24 ns降至约0.9 ps;其次,为突破Saastamoinen模型气象数据约束,提出了高程修正的UNB3m模型,建立了测站区域大气参数估计模型,大气压强、温度、水汽压的估计偏差分别约为3.9 mbar, 6.7 K, 0.63 mbar,由大气参数模型值与实测值得到的对流层天顶延迟偏差约为14 ps,显著增强了天顶延迟估计的实时性;最后,通过分析Niell映射函数规律,确定干映射参数a为响应的主要影响参数,进一步通过最小二乘处理得到了参数a的最佳值.结果表明在仰角10°时,对流层延迟偏差约0.3 ns,相对缩小近1个量级.利用本文所提模型,嫦娥四号探测器实时定轨残差与事后对流层延迟实测值条件下的结果基本一致,相对原始对流层模型下的定轨残差显著改善.本文所提对流层区域模型不依赖于大气参数实测数据,估计精度高,可显著改善深空干涉测量实时定轨支持能力.