CN112231994B - 一种轨道车辆特征风速的计算方法、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
一种轨道车辆特征风速的计算方法、装置及存储介质，包括如下步骤：S1、将车辆轮重减载系数与第一阈值进行比较：若大于第一阈值，逐次减小风速直到减小后的风速对应的车辆轮重减载系数小于第一阈值，若小于第一阈值，逐次增大风速直到增大后的风速对应的车辆轮重减载系数大于第一阈值，并据此定义风速上限vw_u和风速下限vw_d；S2、根据vw_u和vw_d设定第二阈值，并根据第二阈值对应的车辆轮重减载系数与第一阈值的大小关系调整vw_u和vw_d，直至vw_u和vw_d之差小于预设容差，然后将调整后的vw_u与vw_d的平均值定义为特征风速。由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明实现了不同车速和横向加速度下车辆横风特征风速的全自动化计算。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通装备计算机仿真领域，具体涉及一种轨道车辆特征风速的计算方法、装置及存储介质。
背景技术
在强横风作用下，列车运行环境恶化，不仅列车空气阻力、升力、横向力迅速增加，列车的横向稳定性也会受到影响，严重时可能导致列车倾覆。对于一些特殊的风环境，如特大桥、高架桥、路堤，列车的绕流流场改变更为突出，空气动力显著增大，当列车通过曲线路段时，空气横向力、升力与离心力叠加导致列车倾覆的可能性大大增加。
车辆横风安全性是欧洲TSI认证的重要项点，目前国内均无关于车辆横风动力学TSI认证的范例。欧盟标准评估机车车辆横风安全性的基本原则是通过特征风速曲线(Characteristic wind curves，CWC曲线)给出的，即机车车辆在不超过轮重减载系数限值的情况下所能承受的特征风速。对于不同的输入参数，如列车速度、未平衡横向加速度或风向角，列出这些特征风速，由此绘制的曲线称为特征风曲线(CWC曲线)，欧标EN 14067-6给出了CWC曲线的计算方法和流程，并且规定列车的横风稳定性由整列车中对横风最敏感的车辆给出。EN 14067-6规定铁道车辆在轮重减载系数不超过限值0.9的情况下所能承受的最大风速称为特征风速，它是评价车辆横风稳定性的主要指标。考虑路况条件、列车速度、未平衡横向加速度、风向角等因素的变化，由此可得到不同条件下的特征风速曲线(CWC曲线)。对于在一定速度范围内运行的列车来说，CWC曲线定义了列车在超过轮重减载系数限值前所能承受的最大自然风速。
现有获得铁路机车车辆的CWC曲线方法的主要步骤为：(1)获得车辆空气动力学气动载荷系数，属于空气动力学范畴；(2)计算横风荷载下机车车辆在不超过轮重减载系数限值的情况下所能承受的特征风速，属于车辆动力学范畴。欧标EN 14067-6规定，对于车辆空气动力学气动载荷系数，规范推荐预测方程、CFD计算和小比例风洞试验三种方法；对于特征风速的计算，该规范也推荐了三种方法，分别是准静态的简单方法—三质量模型、高级准静态方法—五质量模型，以及阵风场景下时域MBS方法(Time-dependent MBS method)，其中以时域MBS方法最为精确，也应用最广。一般来说，计算特定横风风速下车辆的动力响应是正向的、直接的，而要获取车辆倾覆临界状态下的横风风速则是逆向的，需要不断试算直至某个横风风速下铁道车辆轮重减载率为0.9。因而，即使只计算特定车速、特定未平衡横向加速度下的特征风速也可能需要进行数次计算，每次之间还需要根据计算结果反馈来调整试算风速的大小，计算十分不便，且耗时巨大；要获得完整的CWC曲线，还需考虑列车速度、未平衡横向加速度、风向角等因素的变化，故整个计算将十分不便和耗时，急需寻求一种自动化计算方法。
发明内容
为解决背景技术中轨道车辆特征风速的计算十分不便和费时的问题，本发明提供了一种轨道车辆特征风速的计算方法，具体技术方案如下。
一种轨道车辆特征风速的计算方法，包括如下步骤：
S1、将车辆轮重减载系数与第一阈值进行比较：
若所述车辆轮重减载系数大于第一阈值，逐次减小风速直到减小后的风速对应的车辆轮重减载系数小于第一阈值，定义最后一次减小后的风速为风速下限vw_d，最后一次减小前的风速为风速上限vw_u；
若所述车辆轮重减载系数小于第一阈值，逐次增大风速直到增大后的风速对应的车辆轮重减载系数大于第一阈值，定义最后一次增大后的风速为风速上限vw_u，最后一次增大前的风速为风速下限vw_d；
若所述车辆轮重减载系数等于第一阈值，则将所述车辆轮重减载系数对应的风速定义为特征风速；
所述车辆轮重减载系数为各转向架的轮重减载系数中的最大值；
S2、根据vw_u和vw_d设定第二阈值，并根据第二阈值对应的车辆轮重减载系数与第一阈值的大小关系调整vw_u和vw_d，直至vw_u和vw_d之差小于预设容差，然后将调整后的vw_u与vw_d的平均值定义为特征风速。
具体地，所述第一阈值的取值为0.9；所述预设容差的取值范围为0.01-0.05；所述第二阈值为vw_u与vw_d的平均值。逐次减小或增大风速时，每次的变化幅度为5-15m/s，优选10m/s。通过上述方法，可实现轨道车辆特征风速的自动化计算。
具体地，S2具体包括如下步骤：
S21、根据vw_u和vw_d设定第二阈值，将第二阈值对应的车辆轮重减载系数与第一阈值进行比较：若大于第一阈值，则将vw_u的值替换为第二阈值；若小于第一阈值，则将vw_d的值替换为第二阈值；若等于第一阈值，则将vw_u与vw_d的平均值定义为特征风速；
S22、判断替换后的vw_u与vw_d之差是否小于预设容差：若否，则返回S21；若是，则将替换后的vw_u与vw_d的平均值定义为特征风速。
通过上述二分法可快速找到符合条件的vw_u和vw_d。
优选地，S1之前包括如下步骤：
获取车辆的气动载荷系数；
设定模型参数，根据模型参数以及所述车辆的气动载荷系数，利用MBS方法计算得到所述各转向架的轮重减载系数；所述模型参数包括车速、风速、风向角和未平衡加速度。
优选地，S2之后还包括如下步骤：重复步骤S1-S2，计算不同模型参数条件下的特征风速，整合后得到车辆完整的特征风速曲线。计算不同模型参数条件下的特征风速并整合得到车辆完整的特征风速曲线的方法为现有技术(欧标EN 14067-6)，本发明并未针对该方法作出改进。
由此，可实现不同车速和横向加速度下车辆横风特征风速的全自动化计算，极大提高了车辆横风特征风速曲线计算的效率和计算精度。
具体地，S1中不同风速对应的车辆轮重减载系数，以及S2中第二阈值对应的车辆轮重减载系数均根据如下方法获取：将模型参数中的风速调整至目标风速，其它模型参数不变，利用MBS方法重新进行分析，从而得到该目标风速对应的车辆轮重减载系数。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种轨道车辆特征风速的计算装置，包括：
试算模块，用于将所述车辆轮重减载系数与0.9进行比较：若所述车辆轮重减载系数大于第一阈值，逐次减小风速直到减小后的风速对应的车辆轮重减载系数小于第一阈值，定义最后一次减小后的风速为风速下限vw_d，最后一次减小前的风速为风速上限vw_u；若所述车辆轮重减载系数小于第一阈值，逐次增大风速直到增大后的风速对应的车辆轮重减载系数大于第一阈值，定义最后一次增大后的风速为风速上限vw_u，最后一次增大前的风速为风速下限vw_d；若所述车辆轮重减载系数等于第一阈值，则将所述车辆轮重减载系数对应的风速定义为特征风速；所述车辆轮重减载系数为各转向架的轮重减载系数中的最大值；
计算模块，用于根据vw_u和vw_d设定第二阈值，并根据第二阈值对应的车辆轮重减载系数与第一阈值的大小关系调整vw_u和vw_d，直至vw_u和vw_d之差小于预设容差，然后将调整后的vw_u与vw_d的平均值定义为特征风速。
具体地，所述第一阈值的取值为0.9；所述预设容差的取值范围为0.01-0.05；所述第二阈值为vw_u与vw_d的平均值。逐次减小或增大风速时，每次的变化幅度为5-15m/s，优选10m/s。通过上述装置，可实现轨道车辆特征风速的自动化计算。
具体地，所述计算模块包括：
比较模块，用于根据vw_u和vw_d设定第二阈值，将第二阈值对应的车辆轮重减载系数与第一阈值进行比较：若大于第一阈值，则将vw_u的值替换为第二阈值；若小于第一阈值，则将vw_d的值替换为第二阈值；若等于第一阈值，则将vw_u与vw_d的平均值定义为特征风速；
判断模块，用于判断替换后的vw_u与vw_d之差是否小于预设容差：若否，则返回S21；若是，则将替换后的vw_u与vw_d的平均值定义为特征风速。
通过比较模块和判断模块，可通过二分法来快速找到符合条件的vw_u和vw_d。
优选地，还包括：
参数获取模块，用于获取车辆的气动载荷系数；
模型分析模块，用于根据设定的模型参数以及所述车辆的气动载荷系数，利用MBS方法计算得到所述各转向架的轮重减载系数；所述模型参数包括车速、风速、风向角和未平衡加速度。
优选地，还包括特征风速曲线计算模块，用于计算不同模型参数条件下的特征风速，并将不同模型参数条件下的特征风速进行整合得到车辆完整的特征风速曲线。
由此，自动变参并计算横风荷载下车辆系统的动力响应，可实现不同车速和横向加速度下车辆横风特征风速的全自动化计算，极大提高了车辆横风特征风速曲线计算的效率和计算精度。
具体地，所述试算模块和计算模块均通过如下方法来获取不同风速或第二阈值对应的车辆轮重减载系数：将模型参数中的风速调整至目标风速，其它模型参数不变，利用MBS方法重新进行计算，从而得到该目标风速对应的车辆轮重减载系数。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序被配置为执行上述轨道车辆特征风速的计算方法的步骤。
由于采用了以上技术方案，与现有技术相比较，本发明不仅可以实现轨道车辆特征风速的自动化计算，还可实现不同车速和横向加速度下车辆横风特征风速的全自动化计算。
附图说明
图1为本发明一种轨道车辆特征风速的计算方法的流程示意图；
图2为本发明一种轨道车辆特征风速的计算装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
如图1所示，一种轨道车辆特征风速的计算方法，包括如下步骤：
S01、获取车辆的气动载荷系数；
S02、设定模型参数，根据模型参数以及所述车辆的气动载荷系数，利用MBS方法计算得到所述各转向架的轮重减载系数；所述模型参数包括车速、风速、风向角和未平衡加速度；
S03、将车辆轮重减载系数与第一阈值进行比较(本实施例中，第一阈值的取值为0.9)：
若所述车辆轮重减载系数大于第一阈值，逐次减小风速直到减小后的风速对应的车辆轮重减载系数小于第一阈值，定义最后一次减小后的风速为风速下限vw_d，最后一次减小前的风速为风速上限vw_u；
若所述车辆轮重减载系数小于第一阈值，逐次增大风速直到增大后的风速对应的车辆轮重减载系数大于第一阈值，定义最后一次增大后的风速为风速上限vw_u，最后一次增大前的风速为风速下限vw_d；(本实施例中，逐次减小或增大风速时，每次的变化幅度为10m/s)
若所述车辆轮重减载系数等于第一阈值，则将所述车辆轮重减载系数对应的风速定义为特征风速；
所述车辆轮重减载系数为各转向架的轮重减载系数中的最大值；
S04、根据vw_u和vw_d设定第二阈值，将第二阈值对应的车辆轮重减载系数与第一阈值进行比较：若大于第一阈值，则将vw_u的值替换为第二阈值；若小于第一阈值，则；若等于第一阈值，则将vw_u与vw_d的平均值定义为特征风速；本实施例中，所述第二阈值为vw_u与vw_d的平均值；
S05、判断替换后的vw_u与vw_d之差是否小于预设容差：若否，则返回S04；若是，则将替换后的vw_u与vw_d的平均值定义为特征风速；本实施例中，所述预设容差的取值为0.01。
S06、重复步骤S03-S05，计算不同模型参数条件下的特征风速，整合后得到车辆完整的特征风速曲线。计算不同模型参数条件下的特征风速并整合得到车辆完整的特征风速曲线的方法为现有技术，本发明并未针对该方法作出改进。
具体地，S03中不同风速对应的车辆轮重减载系数，以及S04中第二阈值对应的车辆轮重减载系数均根据如下方法获取：将模型参数中的风速调整至目标风速，其它模型参数不变，利用MBS方法重新进行计算，从而得到该目标风速对应的车辆轮重减载系数。
实施例2
如图2所示，一种轨道车辆特征风速的计算装置，包括：
参数获取模块，用于获取车辆的气动载荷系数；
模型分析模块，用于根据设定的模型参数以及所述车辆的气动载荷系数，利用MBS方法计算得到所述各转向架的轮重减载系数；所述模型参数包括车速、风速、风向角和未平衡加速度；
试算模块，用于将所述车辆轮重减载系数与第一阈值进行比较(本实施例中，第一阈值的取值为0.9)：若所述车辆轮重减载系数大于第一阈值，逐次减小风速直到减小后的风速对应的车辆轮重减载系数小于第一阈值，定义最后一次减小后的风速为风速下限vw_d，最后一次减小前的风速为风速上限vw_u；若所述车辆轮重减载系数小于第一阈值，逐次增大风速直到增大后的风速对应的车辆轮重减载系数大于第一阈值，定义最后一次增大后的风速为风速上限vw_u，最后一次增大前的风速为风速下限vw_d(本实施例中，逐次减小或增大风速时，每次的变化幅度为10m/s)；若所述车辆轮重减载系数等于第一阈值，则将所述车辆轮重减载系数对应的风速定义为特征风速；所述车辆轮重减载系数为各转向架的轮重减载系数中的最大值；
比较模块，用于根据vw_u和vw_d设定第二阈值，将第二阈值对应的车辆轮重减载系数与第一阈值进行比较：若大于第一阈值，则将vw_u的值替换为第二阈值；若小于第一阈值，则将vw_d的值替换为第二阈值；若等于第一阈值，则将vw_u与vw_d的平均值定义为特征风速；本实施例中，所述第二阈值为vw_u与vw_d的平均值；
判断模块，用于判断替换后的vw_u与vw_d之差是否小于预设容差：若否，则返回S21；若是，则将替换后的vw_u与vw_d的平均值定义为特征风速；本实施例中，所述预设容差的取值为0.01。
特征风速曲线计算模块，用于计算不同模型参数条件下的特征风速，并将不同模型参数条件下的特征风速进行整合得到车辆完整的特征风速曲线；
具体地，所述试算模块和比较模块均通过如下方法来获取不同风速和第二阈值对应的车辆轮重减载系数：将模型参数中的风速调整至目标风速，其它模型参数不变，利用MBS方法重新进行计算，从而得到该目标风速对应的车辆轮重减载系数。
实施例3
一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序被配置执行实施例1中的一种轨道车辆特征风速的计算方法的步骤。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种轨道车辆特征风速的计算方法，包括如下步骤：
S1、将车辆轮重减载系数与第一阈值进行比较：
若所述车辆轮重减载系数大于第一阈值，逐次减小风速直到减小后的风速对应的车辆轮重减载系数小于第一阈值，定义最后一次减小后的风速为风速下限vw_d，最后一次减小前的风速为风速上限vw_u；
若所述车辆轮重减载系数小于第一阈值，逐次增大风速直到增大后的风速对应的车辆轮重减载系数大于第一阈值，定义最后一次增大后的风速为风速上限vw_u，最后一次增大前的风速为风速下限vw_d；
若所述车辆轮重减载系数等于第一阈值，则将所述车辆轮重减载系数对应的风速定义为特征风速；
所述车辆轮重减载系数为各转向架的轮重减载系数中的最大值；
S2、根据vw_u和vw_d设定第二阈值，并根据第二阈值对应的车辆轮重减载系数与第一阈值的大小关系调整vw_u和vw_d，直至vw_u和vw_d之差小于预设容差，然后将调整后的vw_u与vw_d的平均值定义为特征风速。
2.根据权利要求1所述的轨道车辆特征风速的计算方法，其特征在于：S2具体包括如下步骤：
S21、根据vw_u和vw_d设定第二阈值，将第二阈值对应的车辆轮重减载系数与第一阈值进行比较：若大于第一阈值，则将vw_u的值替换为第二阈值；若小于第一阈值，则将vw_d的值替换为第二阈值；若等于第一阈值，则将vw_u与vw_d的平均值定义为特征风速；
S22、判断替换后的vw_u与vw_d之差是否小于预设容差：若否，则返回S21；若是，则将替换后的vw_u与vw_d的平均值定义为特征风速。
3.根据权利要求1或2所述的轨道车辆特征风速的计算方法，其特征在于：S1之前包括如下步骤：
获取车辆的气动载荷系数；
设定模型参数，根据模型参数以及所述车辆的气动载荷系数，利用MBS方法计算得到所述各转向架的轮重减载系数；所述模型参数包括车速、风速、风向角和未平衡加速度。
4.根据权利要求3所述的轨道车辆特征风速的计算方法，其特征在于：S2之后还包括如下步骤：重复步骤S1-S2，计算不同模型参数条件下的特征风速，整合后得到车辆完整的特征风速曲线。
5.根据权利要求4所述的轨道车辆特征风速的计算方法，其特征在于，S1中不同风速对应的车辆轮重减载系数，以及S2中第二阈值对应的车辆轮重减载系数均根据如下方法获取：将模型参数中的风速调整至目标风速，其它模型参数不变，利用MBS方法重新进行计算，从而得到该目标风速对应的车辆轮重减载系数。
6.一种轨道车辆特征风速的计算装置，其特征在于，包括：
试算模块，用于将所述车辆轮重减载系数与0.9进行比较：若所述车辆轮重减载系数大于第一阈值，逐次减小风速直到减小后的风速对应的车辆轮重减载系数小于第一阈值，定义最后一次减小后的风速为风速下限vw_d，最后一次减小前的风速为风速上限vw_u；若所述车辆轮重减载系数小于第一阈值，逐次增大风速直到增大后的风速对应的车辆轮重减载系数大于第一阈值，定义最后一次增大后的风速为风速上限vw_u，最后一次增大前的风速为风速下限vw_d；若所述车辆轮重减载系数等于第一阈值，则将所述车辆轮重减载系数对应的风速定义为特征风速；所述车辆轮重减载系数为各转向架的轮重减载系数中的最大值；
计算模块，用于根据vw_u和vw_d设定第二阈值，并根据第二阈值对应的车辆轮重减载系数与第一阈值的大小关系调整vw_u和vw_d，直至vw_u和vw_d之差小于预设容差，然后将调整后的vw_u与vw_d的平均值定义为特征风速。
7.根据权利要求6所述的轨道车辆特征风速的计算装置，其特征在于，所述计算模块包括：
比较模块，用于根据vw_u和vw_d设定第二阈值，将第二阈值对应的车辆轮重减载系数与第一阈值进行比较：若大于第一阈值，则将vw_u的值替换为第二阈值；若小于第一阈值，则将vw_d的值替换为第二阈值；若等于第一阈值，则将vw_u与vw_d的平均值定义为特征风速；
判断模块，用于判断替换后的vw_u与vw_d之差是否小于预设容差：若否，则返回S21；若是，则将替换后的vw_u与vw_d的平均值定义为特征风速。
8.根据权利要求6或7所述的轨道车辆特征风速的计算装置，其特征在于，还包括：
参数获取模块，用于获取车辆的气动载荷系数；
模型分析模块，用于根据设定的模型参数以及所述车辆的气动载荷系数，利用MBS方法计算得到所述各转向架的轮重减载系数；所述模型参数包括车速、风速、风向角和未平衡加速度。
9.根据权利要求8所述的轨道车辆特征风速的计算装置，其特征在于：还包括特征风速曲线计算模块，用于计算不同模型参数条件下的特征风速，并将不同模型参数条件下的特征风速进行整合得到车辆完整的特征风速曲线。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序被配置为执行权利要求1至5中任意一项所述方法的步骤。
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| 侧风下高速列车临界倾覆风速研究;刘荣;姚松;许娇娥;;铁道科学与工程学报(第11期);全文 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112231994A (zh) | 2021-01-15 |
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