CN112163259B - 一种确定典型铁路基础结构风剖面等效风速比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种确定典型铁路基础结构风剖面等效风速比的方法，属于风洞试验技术领域。首先构建典型铁路基础结构模型；同步采集来流风速与典型铁路基础结构上方测点的风速；基于最小二乘法原理分析多风速作用下典型铁路基础结构模型的风场信息，确定测点风速比的估计值；引入变异系数对不同测点高度下的风速比的估计值进行评价，确定典型铁路基础结构的风剖面；基于风剖面，确定典型铁路基础结构的等效风速比。本发明通过以上设计，增加了典型铁路基础结构风剖面评估精度，提高了结构设计及行车安全性评价的可靠性，解决了现有技术中对典型铁路基础结构风剖面评估精度较低的问题。

Description

一种确定典型铁路基础结构风剖面等效风速比的方法

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，尤其涉及一种确定典型铁路基础结构风剖面等效风速比的方法。

背景技术

随着列车速度的提高和车辆的轻量化，列车运行的动态环境由以轮轨相互作用为主演变为以空气动力作用为主，高速列车在横侧风环境下的动力响应问题已经成为高速列车设计过程中的关键力学问题，强风已成为我国高速铁路安全运营的控制性因素。

强风作用下各式基础结构构造形式对桥上高速运行的列车表现出也不尽相同，通常沿线路设置风屏障可以为列车创造一个相对低速的局部运行环境，进而有效提高列车行车安全性，同时线路构造形式差异对风屏障的防风效果影响也较大，而明确典型基础结构轨道上方风场分布特性是进行车辆气动荷载优化的前提，所以明确基础结构上方风剖面的具体分布形式可为风屏障设计及高速列车行车安全性评价提供依据。而现有研究中多以单一或少量几组来流风速的均值来评估典型基础结构的风剖面，其评估结果存在一定的误差。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种确定典型铁路基础结构风剖面等效风速比的方法，解决了现有技术中对典型基础结构风剖面评估精度较低的问题。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种确定典型铁路基础结构风剖面等效风速比的方法，包括以下步骤：

S1、构建典型铁路基础结构模型；

S2、利用所述典型铁路基础结构模型，同步采集来流风速与典型铁路基础结构上方测点的风速；

S3、根据所述来流风速与典型铁路基础结构上方测点的风速，基于最小二乘法原理分析多风速作用下典型铁路基础结构模型的风场信息，并根据所述风场信息确定测点风速比的估计值；

S4、引入变异系数对不同测点高度下的风速比的估计值进行评价，并根据评价结果确定典型铁路基础结构的风剖面；

S5、根据典型铁路基础结构的风剖面确定典型铁路基础结构的等效风速比，从而完成对典型铁路基础结构风剖面的确定。

本发明的有益效果：本发明通过最小二乘法原理对测点数据快速拟合确定风速比，引入变异系数作为风速非一致性指标，评价不同高度测点风速比的合理预估值，确定典型基础结构合理的风剖面，基于等效原则得到合理的等效风速比。本发明通过以上设计，增加了典型铁路基础结构风剖面评估精度，提高了结构设计及行车安全性评价的可靠性。

进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：

S101、根据风洞阻塞比设置固定几何缩尺比的节段模型；

S102、对所述节段模型分别设置边界条件、测点位置以及测试工况，构建典型铁路基础结构模型。

上述进一步方案的有益效果是：本发明严格按照风洞试验标准设计模型缩尺比例，边界条件以及风剖面典型测点位置等，保证了试验数据的准确性及风剖面的合理性。

再进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：

S201、将所述典型铁路基础结构模型布置于测点位置，并设置所述典型铁路基础结构模型的采样频率以及采集时间；

S202、根据所述采样频率以及采集时间，同步采集来流风速与典型铁路基础结构模型上方测点的风速。

上述进一步方案的有益效果是：本发明基于采样定理设置采样频率，基于采样时间确定采样点数，保证了样本数据的可靠性；同步采集的设计方式保证了测点位置与来流风场在时间上的同步性，降低了试验过程中风洞试验室环境因素与机械因素造成的影响。

再进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：

S301、根据所述来流风速与典型铁路基础结构模型上方测点的风速，对采集的风速进行分析并统计其频数分布规律；

S302、根据频数分布规律计算得到测点单次样本的均值，并根据测点单次样本的均值得到测点多次样本的均值；

S303、根据所述测点多次样本的均值，基于最小二乘法原理以过坐标原点的线性拟合的方式得到多次样本下来流风速与测点样本风速之间的变化关系，并根据所述变化关系确定拟合直线斜率；

S304、将测点风速多次样本均值的标准误差与拟合直线斜率的标准误差进行比较，确定测点风速比的估计值。

上述进一步方案的有益效果是：本发明基于样本的频数分布规律，说明了采样点的集中趋势与离散趋势，反映了试验环境对测点的影响；基于最小二乘法原理对测点数据快速拟合确定风速比，通过与多次样本风速比的均值相比，提高了估值的精度。

再进一步地，所述步骤S4中变异系数的表达式如下：

CV＝(σ/μ)×100％

其中，CV表示变异系数，μ表示各来流风速作用下统计变量的估计值，σ表示来流风速作用下统计变量的标准差。

上述进一步方案的有益效果是：本发明引入变异系数作为风速非一致性指标，消除测量尺度和量纲的影响，进行无量纲化参数分析，统一了不同测点的评价标准，通过变异系数评价了风剖面取值的合理性与准确性。

再进一步地，所述步骤S5包括以下步骤：

S501、根据典型铁路基础结构的风剖面，以矩形风剖面等效实际风剖面；

S502、根据实际风剖面，利用无量纲参数确定等效风速比，从而完成对典型铁路基础结构风剖面的确定。

上述进一步方案的有益效果是：本发明说明了风速比等效化的原则，其等效值为基于离散化方法的近似解。

再进一步地，所述步骤S502中等效风速比的表达式如下：

其中，r表示等效风速比，H表示等效高度，

表示0-H上的定积分，V表示测点风速值，U_O表示来流风速，δ表示风速比，dH表示积分变量的微分。

上述进一步方案的有益效果是：本发明确定典型基础结构的相对精确的等效风速比，提高了后续结构设计及行车安全性评价的可靠性。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本实施例中高速铁路典型箱梁结构风洞模型示意图。

图3为本实施例中H5测点时程及统计结果示意图。

图4为本实施例中H5测点风速拟合结果示意图。

图5为本实施例中典型简支箱梁风速比非一致性指标示意图。

图6为本实施例中典型简支箱梁风速比剖面图。

图7为本实施例中预估等效风速比统计图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例

如图1所示，本发明提供了一种确定典型铁路基础结构风剖面等效风速比的方法，其实现方法如下：

S1、构建典型铁路基础结构模型，其实现方法如下：

S101、根据风洞阻塞比设置固定几何缩尺比的节段模型；

S102、对节段模型分别设置边界条件、测点位置以及测试工况，构建典型铁路基础结构模型；

S2、利用典型铁路基础结构模型，同步采集来流风速与典型铁路基础结构上方测点的风速，其实现方法如下：

S201、将典型铁路基础结构模型布置于测点位置，并设置典型铁路基础结构模型的采样频率以及采集时间；

S202、根据采样频率以及采集时间，同步采集来流风速与典型铁路基础结构模型上方测点的风速；

S3、根据来流风速与典型铁路基础结构上方测点的风速，基于最小二乘法原理分析多风速作用下典型铁路基础结构模型的风场信息，并根据风场信息确定测点风速比的估计值，其实现方法如下：

S301、根据来流风速与典型铁路基础结构模型上方测点的风速，对采集的风速进行分析并统计其频数分布规律；

S302、根据频数分布规律计算得到测点单次样本的均值，并根据测点单次样本的均值得到测点多次样本的均值；

S303、根据测点多次样本的均值，基于最小二乘法原理以过坐标原点的线性拟合的方式得到多次样本下来流风速与测点样本风速之间的变化关系，并根据变化关系确定拟合直线斜率；

S304、将测点风速多次样本均值的标准误差与拟合直线斜率的标准误差进行比较，确定测点风速比的估计值。

本实施例中，通常在统计概念里，采集的样本仅仅占整体可能情况的一部分，以采集的部分样本来估算整体的情况存在多种方法，大多数是以每次采样均值的均值(各工况的均值是不同的)来作为整体情况的估算，但通过对实验数据的分析，这种方法的标准误差要大于拟合方式评价结果的标准误差。

S4、引入变异系数对不同测点高度下的风速比的估计值进行评价，并根据评价结果确定典型铁路基础结构的风剖面，其中，变异系数的表达式如下：

CV＝(σ/μ)×100％

其中，CV表示变异系数，μ表示各来流风速作用下统计变量的估计值，σ表示来流风速作用下统计变量的标准差。

本实施例中，当需要比较两组数据离散程度大小的时候，如果两组数据的测量尺度相差太大，或者数据量纲的不同，直接使用标准差来进行比较不合适，此时就应当消除测量尺度和量纲的影响，而变异系数可以做到这一点。

本实施例中，评价准则变异系数的合理范围为15％以内，测点的变异系数越小，表明其风速比的估计值越接近整体数据的均值，取值越合理，根据评价结果，明确各测点风速比的合理性，取值即为典型基础结构风剖面的离散统计值。

S5、根据典型铁路基础结构的风剖面确定典型铁路基础结构的等效风速比，从而完成对典型铁路基础结构风剖面的确定，其实现方法如下：

S501、根据典型铁路基础结构的风剖面，以矩形风剖面等效实际风剖面；

S502、根据实际风剖面，利用无量纲参数确定等效风速比，从而完成对典型铁路基础结构风剖面的确定，其中，等效风速比的表达式如下：

其中，r表示等效风速比，H表示等效高度，

表示0-H上的定积分，V表示测点风速值，U_O表示来流风速，δ表示风速比，dH表示积分变量的微分。

本实施例中，根据典型铁路基础结构模型合理的风剖面，以矩形风剖面等效实际风剖面，等效原则为矩形风剖面和实际风剖面压力总和相等，将等效风速无量纲后即可得到典型铁路基础结构模型的等效风速比。因风剖面是由不同的离散测点组成，所以该等效风速比的解为基于离散化方法的近似解。

以下对本发明作进一步地说明：

通过在工程中的实际应用，将确定典型简支箱梁结构风剖面的方法步骤进行具体展示：采用风洞试验的方法，根据阻塞比的要求，加工制作几何缩尺比为1:30的典型简支箱梁的节段模型，设置均匀来流风场，风速5～10m·s^-1，间隔为1m·s^-1，共6个速度等级，本实施实例以高速列车底部为原点(H1)，1.5倍的车高为终点(H7)，设置桥面风场的采集点，如图2所示，图2展示了几何缩尺比1:30的高速铁路典型箱梁结构风洞模型示意图，包括了测点位置的设定。

本实施中，采用眼镜蛇三维脉动风速测量仪(TFI Series 100)同步测试来流风速与铁路桥面轨道上方的风速信息，采集频率设为1024Hz，采集时间为30s，每组测试3次。分析迎风侧H5测点的风场信息，其中来流风速6m·s^-1，根据图3可知风场在连续的时间域内服从Gaussian分布，桥面上方风速放大1.29倍，图3展示了测点时程及统计结果，其在连续的时间域内服从Gaussian分布。

本实施例中，基于最小二乘法理论，以线性拟合的方式给出来流风速与H5测点风速之间的变化关系，其拟合直线通过原点，确定拟合直线斜率，该斜率即为整体数据拟合风速比(测点风速与来流风速的比值)，如图4所示，测点样本风速比均值的标准误差为4.25E-03，大于拟合直线斜率的标准误差，说明以样本数据拟合的直线斜率可以相对合理地预测总体数据情况，以样本拟合斜率近似作为总体数据的均值。

本实施例中，变异系数作为风速非一致性指标，其计算公式为：

CV＝(σ/μ)×100％

如图5所示，给出典型简支箱梁风速比非一致性指标统计图，除迎风侧H1测点外，总体上典型跨度简支箱梁铁路桥面风场特征参数受来流风速的影响较小，其中风速比变异系数均小于5％，并随测点高度的增加而减小，结果稳定性较高，以样本风速的拟合斜率作为风速比的最终估值较为合理，最终得到相对合理的典型简支箱梁风速比剖面图，如图6所示。

本实施例中，以矩形风剖面等效实际风剖面，等效原则为矩形风剖面和实际风剖面压力总和相等，将等效风速无量纲后即可得到等效风速比：

本实施例中，考虑到典型简支箱梁对列车气动特性的影响，给出列车高度范围内(H1-H5)等效风速比统计结果如表1所示：

表1

风速/(m·s<sup>-1</sup>)	5	6	7	8	9	10	估计值
								迎风侧	1.169	1.166	1.164	1.158	1.152	1.144	1.155
背风侧	1.046	1.038	1.036	1.037	1.034	1.029	1.034

本实施中，图7为上表统计分析结果，典型简支箱梁应背风侧等效风速比分别为1.155，1.034，变异系数小于1％，确定典型简支箱梁结构风剖面的方法结果较为合理。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种确定典型铁路基础结构风剖面等效风速比的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建典型铁路基础结构模型；

S2、利用所述典型铁路基础结构模型，同步采集来流风速与典型铁路基础结构上方测点的风速；

S3、根据所述来流风速与典型铁路基础结构上方测点的风速，基于最小二乘法原理分析多风速作用下典型铁路基础结构模型的风场信息，并根据所述风场信息确定测点风速比的估计值；

所述步骤S3包括以下步骤：

S301、根据所述来流风速与典型铁路基础结构模型上方测点的风速，对采集的风速进行分析并统计其频数分布规律；

S302、根据频数分布规律计算得到测点单次样本的均值，并根据测点单次样本的均值得到测点多次样本的均值；

S303、根据所述测点多次样本的均值，基于最小二乘法原理以过坐标原点的线性拟合的方式得到多次样本下来流风速与测点样本风速之间的变化关系，并根据所述变化关系确定拟合直线斜率；

S304、将测点风速多次样本均值的标准误差与拟合直线斜率的标准误差进行比较，确定测点风速比的估计值；

S4、引入变异系数对不同测点高度下的风速比的估计值进行评价，并根据评价结果确定典型铁路基础结构的风剖面；

S5、根据典型铁路基础结构的风剖面确定典型铁路基础结构的等效风速比，从而完成对典型铁路基础结构风剖面的确定。

2.根据权利要求1所述的确定典型铁路基础结构风剖面等效风速比的方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S101、根据风洞阻塞比设置固定几何缩尺比的节段模型；

S102、对所述节段模型分别设置边界条件、测点位置以及测试工况，构建典型铁路基础结构模型。

3.根据权利要求1所述的确定典型铁路基础结构风剖面等效风速比的方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

S201、将所述典型铁路基础结构模型布置于测点位置，并设置所述典型铁路基础结构模型的采样频率以及采集时间；

S202、根据所述采样频率以及采集时间，同步采集来流风速与典型铁路基础结构模型上方测点的风速。

4.根据权利要求1所述的确定典型铁路基础结构风剖面等效风速比的方法，其特征在于，所述步骤S4中变异系数的表达式如下：

CV＝(σ/μ)×100％

其中，CV表示变异系数，μ表示各来流风速作用下统计变量的估计值，σ表示来流风速作用下统计变量的标准差。

5.根据权利要求1所述的确定典型铁路基础结构风剖面等效风速比的方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：

S501、根据典型铁路基础结构的风剖面，以矩形风剖面等效实际风剖面；

S502、根据实际风剖面，利用无量纲参数确定等效风速比，从而完成对典型铁路基础结构风剖面的确定。

6.根据权利要求5所述的确定典型铁路基础结构风剖面等效风速比的方法，其特征在于，所述步骤S502中等效风速比的表达式如下：

其中，r表示等效风速比，H表示等效高度，

表示0-H上的定积分，V表示测点风速值，U_O表示来流风速，δ表示风速比，dH表示积分变量的微分。

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