交通运输工程学报

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勾红叶, 刘畅, 班新林, 孟鑫, 蒲黔辉

摘要: 为了提升桥梁-轨道结构服役安全性能，保证复杂环境条件下高速铁路结构适应性和行车安全舒适性，研究了高速铁路桥梁-轨道体系检测监测装备的改进与优化，分析了桥梁-轨道结构服役性能动态演变规律，总结了复杂条件下桥上行车安全评价与预测方法，展望了未来研究重点与方向。研究结果表明：在桥梁-轨道体系检测监测技术方面，现有研究聚焦于传统检测监测装备的优化和智能化技术与损伤识别方法的深度融合，核心目标是提高桥梁-轨道结构检测监测的效率、精度与标准化程度，实现基础设施服役状态的精准评判与预测；在桥梁-轨道空间变形映射关系方面，考虑基础结构各部分交互影响的变形映射模型能够准确描述结构层间界面状态演变引起的轨面几何形态变化趋势、发展规律和频谱特性，但目前尚缺乏对高速铁路桥梁-轨道协同设计和变形智能调控装置的深入研究；结构服役性能演化研究大多基于理想化的弹塑性本构模型，且对于服役性能劣化行为与规律的研究局限在特定服役环境；正在逐步深入开展基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论的长期服役条件下高速铁路桥梁行车安全性研究，建立基于不同指标体系的行车安全评价准则；充分利用桥梁-轨道体系检测监测数据，加强复杂服役环境下桥梁-轨道结构性能演变机制和损伤失效机理研究，信息更新条件下具有高可移植性的行车安全性智能评价与预测新方法是今后重点关注的研究方向。更多>

2022, 22(1): 1-23. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.001

摘要(2913) HTML (688) PDF (10823KB) (391)

内燃机活塞组件-缸套系统表面技术研究进展

吕延军, 罗宏博, 张永芳, 康建雄, 李鹏洲

摘要: 通过分析与总结国内外内燃机活塞组件-缸套系统表面技术研究现状和发展趋势，梳理了表面织构和表面涂层技术在内燃机关键运动副减摩抗磨与节能应用中的特点; 剖析了表面织构加工技术、表面织构形貌特征与分布、表面涂层制备工艺、表面耐磨涂层、表面热障涂层和表面技术与润滑的协同效应对运动副摩擦性能的影响。分析结果表明：激光表面织构(LST)能有效改善运动副表面的摩擦学性能，直接/间接激光冲击表面织构(LSSP)技术已成为高效、灵活的表面织构加工方法，但由于织构加工工艺、形貌和分布特征对摩擦学性能的影响较为复杂，仍需进一步结合内燃机活塞组件-缸套系统的工况特性研究并优化表面织构的形貌和分布特征; 大气等离子喷涂(APS)和超音速火焰(HVOF)喷涂制备的耐磨涂层和热障涂层(TBC)具有良好的耐磨、隔热和抗氧化性，可使内燃机活塞组件-缸套系统表面金属基复合材料、类金刚石(DLC)材料、纳米复合材料和陶瓷材料涂层的减摩抗磨和节能成效明显，但涂层材料种类繁多，很难形成统一的行业标准、规范以及工业化应用; 内燃机活塞组件-缸套系统的动力学特性和表面织构、表面涂层与润滑的协同作用复杂，将来仍需综合考虑多场条件下各种表面技术耦合的减摩抗磨机理，进一步完善内燃机活塞组件-缸套系统表面复合理论和技术体系，为内燃机产业的绿色和高效发展提供技术指导。更多>

2022, 22(1): 24-41. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.002

摘要(1640) HTML (542) PDF (9399KB) (161)

轮轨系统的现状与展望

沈钢, 毛鑫, 毛文力, 董强强, 尹相琴

摘要: 总结了现有传统钢轮钢轨式轮轨系统的工程问题、研究现状和工程处理方法; 分析了钢轨波磨和车轮不圆的形成和发展机理，对困扰高铁的踏面凹磨问题提出了创新性治理设想; 拟通过轮轨系统的廓形设计-磨损评价-磨损治理的系统化革新思路，获得既安全又经济的线路条件个性最优化方案; 总结和展望了目前轮轨系统的打磨和镟轮，讨论了轮轨系统的检测方法; 提出了避免过度检测的新思路，并预测了轮轨系统的未来发展前景。分析结果表明：钢轨波磨和车轮失圆的机理都出于轮轨系统的参激振动与切向轮轨磨损的耦合，在交变正压力和切向磨损同相位作用下，使凸起区域的磨损低于凹下区域的磨损; 高铁的凹磨问题是轮轨在高速直线上和超大半径曲线上，轮轨处于非常微小的横向扰动，又在非常平顺的线路下发生镶嵌磨损，即轮轨接触部分廓形发生相互拷贝式磨损; 低速城轨系统轮缘侧面磨损是由于在较小曲线半径上运行时，在较大的横向蠕滑作用下引起轮缘的导向作用而为，其踏面不易发生凹磨; 钢轨和道岔的各种病害与轴重和冲击载荷有关，其疲劳破坏以局部应力过大下的低周疲劳为主; 随着车辆速度和轴重的提高，轮轨系统仅在车辆侧和轨道侧进行优化已达到极限，只有相互联合优化才能深入发掘潜力，继续维持轮轨交通的应用价值。更多>

2022, 22(1): 42-57. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.003

摘要(2265) HTML (764) PDF (12650KB) (237)

钢管混凝土提篮拱面外受力性能试验

韦建刚, 谢志涛, 杨艳, 吴庆雄, 陈宝春, 平建春

摘要: 为探究非保向力效应对钢管混凝土提篮拱桥平面外稳定性能的影响，开展了钢管混凝土(CFST)提篮拱空间受力性能试验和有限元分析; 基于某原型桥开展了考虑吊杆影响的钢管混凝土提篮拱空间受力性能试验，揭示了模型拱的破坏机理; 基于试验结果和实际工程构造参数建立了钢管混凝土标准提篮拱桥有限元模型，通过是否建立杆系吊杆的方式分别考虑吊杆的非保向力和保向力作用，分析了拱肋倾角、矢跨比、宽跨比等参数变化对是否考虑吊杆非保向力效应的钢管混凝土提篮拱面外极限承载力的影响; 基于材料与几何双重非线性有限元模型，以荷载比和位移比定量分析了不同参数下非保向力效应对拱肋空间受力性能的提高程度。研究结果表明：在空间受力过程中钢管混凝土提篮拱位移均关于拱顶截面呈对称分布，应变分布也具有良好的对称性，说明模型拱在空间受力过程中整体稳定性较好，且具有较低的初始几何缺陷敏感度; 模型拱最终发生面外极值点失稳破坏，拱肋以承受压力和面外弯矩为主，其中面外弯矩是模型拱稳定极限承载力的主要控制因素; 钢管混凝土提篮拱面外极限承载力均随拱肋倾角、矢跨比和宽跨比的增大呈先增大后减小的趋势，在拱肋倾角为9°，矢跨比为0.25，宽跨比为0.03时承载力均达到最大值; 在计算钢管混凝土提篮拱面外极限承载力时应考虑非保向力效应，否则计算结果将偏小22%。更多>

2022, 22(1): 58-69. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.004

摘要(897) HTML (310) PDF (19693KB) (115)

大跨高墩连续刚构桥内力状态及其对地震反应的影响

石岩, 李军, 秦洪果, 李萍, 郑国足, 王东升

摘要: 为研究实际施工过程和混凝土收缩徐变对连续刚构桥成桥内力状态的影响以及不同内力状态下主桥的地震反应差异，以某大跨高墩连续刚构桥为背景，建立了MIDAS/Civil施工阶段分析模型，并讨论了各施工因素对主桥内力状态的影响; 基于等效荷载法提出了适用于连续刚构桥的内力等效荷载计算方法，通过将主桥内力进行分解，以若干简单的内力等效荷载分别进行等效，再利用叠加原理求和，得到符合实际情况的等效内力状态; 采用OpenSees建立了全桥非线性动力分析模型，并施加不同内力状态所对应的内力等效荷载，使其处于对应的等效内力状态; 选取40组典型速度脉冲型近断层地震动记录为输入，开展了不同内力状态下全桥非线性动力时程分析。分析结果表明：若忽略主桥预应力作用，将高估主梁最大弯矩约2.8倍，高估主墩墩顶和墩底最大弯矩分别约3.5、2.0倍，且弯矩方向皆与实际情况相反，故预应力作用对连续刚构桥内力状态的影响不可忽视; 墩梁固结附近主梁等效内力峰值与目标内力峰值的最大误差在5%以内; 近断层地震动作用下，主墩侧移角、曲率延性系数和塑性铰区钢筋最大应变都随混凝土收缩徐变的增加呈逐渐减小的趋势，沿纵桥向则更为明显; 提出的内力等效荷载计算方法可为高烈度区连续刚构桥抗震设计和性能评估提供参考。更多>

2022, 22(1): 70-81. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.005

摘要(1129) HTML (423) PDF (11247KB) (98)

Nataf变换的桥梁系统多维地震易损性分析方法

李佳璐, 任乐平, 胡伟

摘要: 在多维性能极限状态理论框架下，考虑桥梁各构件地震响应参数相关性，引入Nataf变换，提出了改进的桥梁系统多维地震易损性分析方法; 以一座三跨V撑连续梁桥为例，利用OpenSees软件建立桥梁系统非线性动力分析模型，从美国太平洋地震研究中心强震数据库中选取20条地震波进行增量动力分析，并获得桥梁结构在地震作用下的最大响应样本; 利用最大似然估计法获得桥梁构件地震需求概率模型统计参数，结合定义的桥梁构件损伤指标，应用提出的方法，分析了算例桥梁多维系统地震易损性。分析结果表明：提出的方法在考虑构件地震响应参数与性能极限状态相关性的基础上，可以不依赖构件地震响应参数间的联合概率密度函数，计算得到桥梁系统易损性; 在构建多维极限状态方程时，桥梁构件失效模式排序对桥梁系统地震多维易损性影响偏差在3%以内，构件失效模式排序对易损性分析结果影响不大; 在任一损伤状态下，随着地面峰值加速度与极限状态相关系数的增加，桥梁系统与过渡墩在地震作用下的失效概率比值逐渐减小，并接近于1，不同桥梁构件间的性能极限状态相关性变弱，系统失效域面积变小，导致桥梁系统失效概率降低，系统多维易损性越接近性能指标相互独立时的评估结果，当采用多维性能指标时，性能指标间的相关性不可忽略，否则将导致过高估计桥梁结构的抗震性能。更多>

2022, 22(1): 82-92. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.006

摘要(1008) HTML (314) PDF (6269KB) (74)

超高性能砂浆砌体短柱轴压试验

黄卿维, 廖妙星, 陈宝春, 卢绍斌, 刘君平, 李聪, 黄文金, 黄新艺

摘要: 为改善砌体柱的受力性能，提出了采用新型超高性能砂浆(UHPM)的砌体柱(UMC)，以烧结砖和混凝土砖为研究对象，分别进行了2组UMC的轴压试验，通过与传统砂浆砌体柱(MC)进行对比，探讨了UMC轴压受力机理与破坏模式，评估了现行规范关于砌体轴压承载力计算公式对UMC的适用性，提出了UMC轴压承载力预测公式。研究结果表明：UMC与MC的受力全过程相似，均经历了裂缝前受力阶段、裂缝开展阶段和破坏阶段；但UMC的初裂荷载远高于MC的初裂荷载，烧结砖与混凝土砖UMC分别为相应MC的2.36倍和2.45倍，且都大于MC的极限荷载；UMC与MC均因砌块破坏而丧失承载力，MC的破坏表现出明显的脆性，裂缝主要发展于砂浆与砌块接触面，而UMC的破坏表现出较好的延性，砌块的压碎程度远大于MC；与MC相比，UMC中砂浆不再是一个薄弱环节，UHPM对砌块的横向变形起约束作用，可显著提高砌体柱的承载力，烧结砖和混凝土砖UMC抗压承载力分别为MC的1.74倍和2.00倍，表明UHPM在砌体结构中的应用具有相当的可行性；采用现行规范中的MC强度计算公式将高估UMC的承载力，提出的UMC强度计算公式同时考虑了砌块的强度与UHPM对砌块约束作用。更多>

2022, 22(1): 93-102. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.007

摘要(906) HTML (273) PDF (9213KB) (69)

旋喷搅拌桩加固含易液化粉土夹层软基的现场试验

章定文, 刘涉川, 蔺文峰, 时洪斌, 毛忠良

摘要: 依托含易液化粉土夹层软基加固实体工程，采用现场试验的方法研究了旋喷搅拌桩加固含易液化粉土夹层软基的适用性和加固效果；通过钻孔取芯和静载试验测量分析了旋喷搅拌桩在含易液化粉土夹层软基中的成桩质量和桩芯强度；监测了路堤荷载下旋喷搅拌桩加固含易液化粉土夹层软基典型断面的施工期间及工后的地表沉降、深层水平位移、桩体荷载分担比、桩土应力比和超静孔隙水压力等数据，分析了旋喷搅拌桩加固含易液化粉土夹层软基的实际加固效果和工程受力特性。研究结果表明：旋喷搅拌桩在含易液化粉土夹层软基中可完整成桩，桩芯28 d无侧限抗压强度可达2.5 MPa，相对于常规搅拌桩强度提升了约一倍；在路堤荷载下，旋喷搅拌桩能有效地减小地基沉降和坡脚深层水平位移，并提高路堤的稳定性；旋喷搅拌桩加固地基桩土差异沉降较小，桩土应力比介于5~10，桩体荷载分担比小于50%，具有复合地基特性，复合地基分为柔性桩复合地基和刚性桩复合地基，两者设计方法差异很大，本文研究的旋喷搅拌桩建议按照柔性桩复合地基设计。可见，旋喷搅拌桩加固含易液化粉土夹层软基效果良好，可适用于实际工程。更多>

2022, 22(1): 103-111. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.008

摘要(979) HTML (299) PDF (2941KB) (76)

地铁车辆段咽喉区上盖建筑振动传播规律

汪益敏, 陶子渝, 邹超, 陈颖

摘要: 以深圳某带上盖建筑地铁车辆段为工程依托，现场实测了咽喉区列车走行不同线路时，地面层、平台转换层和上盖4层钢框架结构的振动加速度响应，分析了咽喉区列车运行引起的环境和结构振动传播规律。研究结果表明：由于土-结构的动力相互作用，车致振动在从地基土向基础结构的传播过程中存在能量损失，实测结构基底加速度幅值较邻近地面加速度幅值显著减小；车致振动在从地基土向结构的传播过程中，50 Hz以上高频分量衰减更为迅速，土-结构耦合损失最高可达27~34 dB，因此，基于子结构法，采用基底输入预测地铁车辆段上盖建筑车致振动响应时，应考虑土-结构耦合损失的影响，宜采用平台立柱基底振动作为模型振动输入；上盖平台与转换层的结构设计能够在一定程度上减弱车致振动的向上传播，加速度级衰减幅度为3~6 dB；车致振动以轴向波的形式通过平台立柱向上传播，并以弯曲波的形式通过转换梁和楼板水平扩散，振动能量有多条传播路径传至上盖建筑并进行叠加，平台转换层各测点振动差异在8 dB以内；上盖建筑层间的振动传播规律取决于梁和楼板与竖向承重结构的阻抗比，增大梁或楼板的阻抗有助于减弱振动的向上传播；该上盖4层钢框架结构实测车致振动频率存在3个峰值，分别为6.3、12.5和40.0 Hz，其与结构固有频率和激励动力特性有关。更多>

2022, 22(1): 112-121. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.009

摘要(1058) HTML (367) PDF (11663KB) (87)

齿轨铁路导入装置动力学特性

陈再刚, 唐亮, 杨吉忠, 陈志辉, 翟婉明

摘要: 利用大型有限元商业软件ABAQUS建立了车辆-齿轨铁路导入装置耦合动力学有限元模型；仿真了齿轨车辆通过齿轨铁路导入装置的过程，分析了车辆与齿轨铁路导入装置的动态相互作用；考虑不同参数的影响，研究了齿轨铁路导入装置振动响应、结构应力、动态接触力等动态特性响应规律。研究结果表明：随着支撑弹簧预紧力的增大，齿轮转速能更快达到与车速匹配的速度，且总体上同步装置振动与动态应力会增大，入齿装置振动和动态应力将减小，校正装置振动也将减小；确定合理的支撑弹簧预紧力，应综合考虑结构应力及振动水平，在本文计算工况中，建议预紧力取3 kN；齿轨铁路导入装置的最大振动速度为5.66 m·s^-1，振动速度最大均方根为1.31 m·s^-1，最大振动加速度为5 657.82 m·s^-2，振动加速度最大均方根为479.36 m·s^-2，都出现在支撑弹簧预紧力1 kN工况下；随着齿轮初始转速增加至车速，总体上同步装置垂向振动变化不大，纵向振动减小，齿轮初始转速越接近车速越好；列车通过速度越大，齿轮对整个齿轨铁路导入装置的冲击力越大，因此，确定合理的列车通过速度，应综合考虑冲击振动及行车效率，在计算的5和10 km·h^-1的速度中，建议通过速度为5 km·h^-1或者低于5 km·h^-1。更多>

2022, 22(1): 122-132. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.010

摘要(1043) HTML (466) PDF (12092KB) (74)

动车组铝合金车体焊缝质量等级评价的应力因数计算方法

卢耀辉, 李振生, 尹小春, 宋承裕, 刘淅, 卢川

摘要: 建立了某型动车组铝合金焊接车体的有限元分析模型，对焊缝部位进行简化建模，焊缝与实际存在的差异在等效结构应力计算中进行修正；基于标准BS EN 12663—1:2010分析了车体承受的载荷，采用Box-Behnken正交矩阵设计确定了车体的9个疲劳载荷工况；对车体有限元模型施加多轴载荷，分析了车体侧墙上的4条长焊缝部位的应力分布，确定了6个应力因数计算的关注点；采用名义应力法和等效结构应力法计算车体侧墙焊缝的应力因数，对比分析了2种应力分析方法。分析结果表明：2种应力分析方法在循环次数为1.0×10⁷的许用应力范围不同，名义应力为16.40 MPa，等效结构应力为26.61 MPa；6个关注点的名义应力范围均小于其等效结构应力范围，得到的车体焊缝6个关注点的名义应力和等效结构应力的应力因数分别为0.33、0.25、0.50、0.49、0.76、0.62和0.23、0.24、0.39、0.45、0.61、0.48；针对同一焊缝的关注点，名义应力法计算的应力因数大于采用等效结构应力法计算的应力因数；名义应力法存在很大的分散性，导致应力因数偏大，而等效结构应力法物理意义更明确，计算的应力因数更为合理。更多>

2022, 22(1): 133-140. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.011

摘要(875) HTML (339) PDF (4564KB) (47)

中低速磁浮车辆-桥梁耦合系统动力性能试验

李苗, 马卫华, 龚俊虎, 刘文亮, 高定刚, 罗世辉

摘要: 为探究中低速磁浮车辆-桥梁耦合系统的振动特性，对其在上海临港中低速磁浮试验基地开展了现场动力学试验，研究了车速和桥梁结构形式对耦合系统动力响应的影响；试验车辆采用(悬挂)中置式悬浮架，试验桥梁为25 m混凝土简支梁和25 m钢结构简支梁；为明确2种桥梁的固有振动特性，对其进行了模态测试；提取了不同工况下车辆-桥梁耦合系统的加速度及桥梁的垂向动位移信号；计算了垂向和横向Sperling指标、动力系数、梁端转角等车辆-桥梁耦合系统关键动力指标，详细分析了耦合系统的动态响应特性，评估了系统的振动水平。研究结果表明：混凝土梁和钢梁的垂向一阶固有频率分别为7.32、7.72 Hz，2种桥梁的各项关键动力指标均满足相关标准要求；混凝土梁和钢梁的最大加速度分别不超过0.2、1.4 m·s^-2；当车速为5 km·h^-1时，钢梁的垂向动力响应幅值约为混凝土梁的7.6倍；在测试的速度范围内，车辆的横向Sperling指标均小于2.5，表明车辆在混凝土梁和钢梁上运行时均具有优秀的横向平稳性；车辆空气弹簧悬挂系统的垂向固有频率峰值在车速为25 km·h^-1时达到最大，通过混凝土梁和钢梁的垂向Sperling指标分别达到2.687、3.340。测试结果可为中低速磁浮车辆-桥梁耦合系统的优化设计和数值模型验证等提供有价值的参考。更多>

2022, 22(1): 141-154. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.012

摘要(904) HTML (268) PDF (14442KB) (50)

高速动车组柔性转向架蛇行运动频谱分析

干锋, 戴焕云, 罗光兵, 杨震寰, 李涛

摘要: 为分析高速动车组在不同运行速度下的转向架蛇行运动频谱，推导了自由轮对蛇行运动模型，建立了与纵向、横向速度和摇头角速度相关的3个一阶微分方程；建立了柔性转向架蛇行运动模型，给出了与轮对和构架的横移和摇头自由度相关的9自由度蛇行运动方程；结合车辆悬挂和实测轮轨接触关系等参数，联立自由轮对蛇行运动方程，求解不同轮对初始横移下的构架蛇行波长和频率；以某型动车组一个车轮镟修周期内实测的车轮踏面廓形为例，分析不同车轮镟后里程下的构架蛇行波长及频率的变化规律。分析结果表明：部分测点出现明显的2.9、14.9和33.6Hz振动频率，且这些频率随着车速的增加呈线性增长趋势；33.6 Hz来源于车辆通过CRTS Ⅱ型轨道板时频率；14.9 Hz来源于350 km·h^-1运行时的车轮转动频率；当轮对初始横移为3 mm的等效锥度为0.14时计算的构架蛇行频率为3.0 Hz，与实测构架横向振动频率2.9 Hz接近，从而验证了微分方程的准确性；随着车轮镟后里程的增加，相同轮对横移下的等效锥度不断增大，构架蛇行波长不断减小，蛇行频率也随之增高；车轮镟修后20.6万公里，轮对横移1 mm时蛇行频率最大接近8 Hz。更多>

2022, 22(1): 155-167. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.013

摘要(877) HTML (301) PDF (14678KB) (65)

高速列车车轮偏心磨耗的形成机理与发展规律

康熙, 陈光雄, 杨普淼, 朱琪, 宋启峰

摘要: 为了研究高速列车车轮偏心磨耗的形成机理，根据现场测试和多体动力学仿真结果，建立了高速列车车轮-钢轨系统有限元模型，采用瞬时动态仿真分析了车轮残余静不平衡对轮轨法向接触力的影响；对最高速度为250 km·h^-1动车组列车的运营速度进行现场测试，计算了列车匀速运行区间的平均速度；基于摩擦功周期性波动引起轮轨非均匀磨耗的观点，分析了车轮残余静不平衡量对轮轨接触力的影响，研究了车轮偏心磨耗的成因；通过改变轮轨有限元模型中车轮辐板上特定区域的材料密度来模拟残余静不平衡量，研究了偏心磨耗与残余静不平衡量大小的关系；通过重新编译有限元模型节点坐标来模拟偏心磨耗后车轮踏面的真实轮廓，研究了车轮偏心磨耗的发展规律。仿真结果表明：当高速列车以237 km·h^-1的速度匀速运行时，车轮残余静不平衡会引起轮轨系统发生约24 Hz的振动，导致轮轨法向接触力周期性变化，引起车轮踏面发生1阶非圆磨耗，即车轮偏心磨耗；随着磨耗的不断加深，轮轨系统约48、72 Hz的振动被激励，引起2、3阶车轮多边形磨耗；当磨耗后的车轮踏面最大径跳大于0.15 mm时，在0~150 Hz的频率范围内，72 Hz的振动强度最大，导致车轮3阶多边形磨耗迅速增加；降低车轮残余静不平衡量可减缓1阶非圆车轮的形成。更多>

2022, 22(1): 168-176. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.014

摘要(758) HTML (224) PDF (6508KB) (50)

基于收敛趋势变分模式分解的齿轮箱故障诊断方法

江星星, 宋秋昱, 朱忠奎, 黄伟国, 刘颉

摘要: 从中心频率的角度出发，深入分析变分模式分解算法中不同初始中心频率的分解特性；利用分解特性对变分模式分解中使用的初始中心频率进行合理更新，在没有先验知识的情况下自适应分解信号的整个分析频带；根据峭度准则，从分解的子信号中选取包含故障信息最丰富的故障分量；对选出的最佳故障分量进行平衡参数优化和稀疏编码收缩处理，并进行包络分析；基于变分模式分解的特性，构建一套完整的基于收敛趋势变分模式分解的齿轮箱故障诊断方法，并应用诊断方法于汽车变速器齿轮箱中齿轮早期局部损伤故障识别和齿轮接触疲劳试验机中齿轮箱故障诊断。研究结果表明：在变分模式分解算法中存在着收敛趋势现象，随着初始中心频率的逐渐增大，所提取模式的收敛中心频率与其相对应的初始中心频率具有特定的收敛关系；提出的方法无需参数先验知识，可自适应地将振动信号进行分解；试验1中提出的方法分解得到的故障分量峭度为3.056，优化处理后故障分量的峭度为24.812，传统的2种初始化中心频率变分模式分解方法的故障分量最大峭度分别为2.830和2.421，快速谱峭度分析方法未能提取出故障分量；试验2中诊断方法分解得到的故障分量峭度为3.467，优化处理后故障分量的峭度为19.780，传统的2种初始化中心频率变分模式分解方法的故障分量最大峭度分别为3.231和3.361，快速谱峭度分析方法未能提取出故障分量；提出的方法能够增强瞬态特征和故障特征频率，在齿轮箱故障诊断方面更具准确性和优越性。更多>

2022, 22(1): 177-189. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.015

摘要(904) HTML (300) PDF (12819KB) (46)

考虑性能衰退的燃料电池汽车自适应优化能量管理策略

王亚雄, 余庆港, 王薛超, 孙逢春

摘要: 为了提高系统效率与降低因不利运行条件导致的燃料电池使用寿命缩短风险，提出了考虑燃料电池性能衰退的自适应庞特里亚金极小值原理(PMP)能量管理策略，用于城市公交车燃料电池/超级电容混合动力系统；分析了离线式PMP燃料电池/超级电容混合动力系统在5种不同循环工况下的能量分配结果，获取了在3种典型城市公交循环工况下初始协态变量随能量管理系统的状态量，即超级电容荷电状态始、末时刻差值的变化关系，插值出在线式PMP初始协态变量与荷电状态的对应关系，结合PMP正则方程计算每一时刻的协态变量，形成具有维持荷电状态稳定的在线PMP协态变量自适应更新方法；将影响燃料电池性能衰退的功率变化率、启停次数和最大功率作为约束条件，并在自适应PMP的成本函数中引入燃料电池功率变化率，获取满足约束条件且混合动力系统燃料经济性较好的能量管理策略；开展控制器硬件在环(HIL)仿真测试，验证该能量管理策略的实际应用效果。研究结果表明：在不同于确定协态变量的公交工况SC03和纽约城市循环(NYCC)工况下，自适应PMP末态荷电状态稳定在目标值附近，且与离线PMP相比，燃料经济性损失分别仅为1.27%和0.93%；在不同于确定协态变量和成本函数权重系数的运行工况即中国公交行驶循环(CBDC)综合测试工况下，该自适应优化能量管理策略可实现满足约束条件的能量分配，且燃料经济性保持为离线最优经济性的90.76%；在CBDC和纽伦堡公共汽车(NurembergR36)测试工况下，HIL仿真结果与数值仿真结果平均误差均小于5%。综上，该自适应优化能量管理策略考虑了燃料电池性能衰退，可实现混合动力系统的高效运行，具有长寿命使用潜力。更多>

2022, 22(1): 190-204. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.016

摘要(1329) HTML (479) PDF (16164KB) (121)

大型机场进场航空器联合调度模型

姜雨, 刘振宇, 胡志韬, 吴薇薇, 王喆

摘要: 为减少进场航空器总延误与总滑行时间，研究了大型机场进场航空器联合调度问题；分别以跑道排序时间跨度和总延误加权和最小、被分配至远机位航班数量最少、进场航空器总滑行时间最短为目标函数，构建了跑道、停机位、滑行道三大系统的正向联合调度模型；在此基础上引入停机位再调整模型，通过调整额外滑行时间较大的航空器的停机位指派方案对滑行道调度进行反向优化；设计了一种改进型基因编码的遗传算法以避免非可行解的产生，提高求解效率。仿真结果表明：对比先到先服务策略，改进型遗传算法的进场航空器跑道排序时间减少了20 s，总延误从254 350 s降至199 760 s，减少了21%；对比蚁群算法，改进型遗传算法的总延误减少了20 060 s，降低了9%，且迭代曲线更平稳；改进遗传算法迭代12次时即能为进场航空器全部分配至近机位，18架进场航空器的总滑行时间从4 575 s降至4 145 s，降低了9%，且滑行过程中仅发生3次冲突；11架航空器均选择最短路滑行，仅3架航空器的额外滑行时间超过40 s；经停机位调整后，总额外滑行时间减少58 s，降低了27%。可见，进场航空器联合调度模型能提高大型机场运行效率，为场面资源管理提供决策参考。更多>

2022, 22(1): 205-215. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.017

摘要(1234) HTML (382) PDF (4559KB) (117)

一种基于机载数据的民用航空器飞行阶段划分方法

王兵, 张颖, 谢华, 李杰

摘要: 为有效解决民用航空器的机载快速存取记录器(QAR)航迹数据中飞行阶段出现错误划分的情况，通过航空器气动构型和垂直运动态势变化提出了飞行阶段重新划分方法，具体分为4个步骤：数据预处理、垂直运动态势划分、飞行状态特征模型构建和飞行阶段重新划分；使用基于DBSCAN的局部遍历聚类方法对气压高度变化趋势进行聚类分析，划分垂直运动态势，并通过设置有效态势最短持续时间解决气压高度的局部抖动问题；考虑不同机型在不同飞行阶段时的襟翼位置和操纵各不相同，场面滑行时的场压抖动以及空速表在低速滑行时数值不准确等因素，根据航空器襟翼位置开关、起落架位置、地速和垂直态势等状态参数建立适合所有机型的飞行状态特征模型，并对QAR航迹划分飞行状态特征段；建立各飞行阶段与飞行状态特征的关系模型，结合起落架空地逻辑将所有飞行状态特征段识别为对应的飞行阶段。以3个典型的样本航班为例，计算结果表明：航班包含复飞在内的所有飞行阶段均被有效识别和划分，并与航空器飞行时的襟翼和起落架状态保持一致, 原QAR数据中的飞行阶段错误划分问题得到有效解决；对272 268个航班的QAR航迹进行了飞行阶段重新划分，成功率为99.7%，起飞、初始爬升、进近和着陆等非光洁构型飞行阶段的平均历时分别为0.6、1.9、6.1和4.0 min，平均距地高度分别为54、3 680、6 030和2 500 ft，符合航班实际运行规律。可见，所建立的飞行阶段重新划分方法可适用于大批量航班，为民用航空器的飞行阶段特征分析提供技术支撑。更多>

2022, 22(1): 216-228. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.018

摘要(1400) HTML (364) PDF (5557KB) (137)

激光雷达选址对飞机尾涡特征参数反演的影响

庄南剑, 赵丽雅, 谷润平, 魏志强

摘要: 为了提高距离高度显示器模式激光雷达的尾涡探测与反演精度，提出了基于涡核区域分割的机场激光雷达最佳选址求解算法，研究了激光雷达横向和纵向安装位置对尾涡反演精度的影响；考虑尾涡消散和下沉影响，建立了激光雷达动态回波数据仿真模型；推导了尾涡区域分割径向距离公式，根据区域分割后的速度极值点确定了尾涡涡核位置；对涡核位置进行探测时间差修正后代入诱导速度方程，利用涡核附近的特征点径向速度构建了联立方程组，求解了尾涡环量相对误差；结合机场的机型占比数据，设计了激光雷达最佳选址的计算流程；基于国内某机场一周的运行数据，提取了5种典型机型数据进行机场激光雷达选址影响分析，确定了该机场的最佳激光雷达布局位置。研究结果表明：激光雷达选址的横向距离对反演精度影响较大，且存在最佳横向距离，大约为飞机翼展的10倍；最佳横向距离附近大约200 m是较佳的选择范围，该范围内探测精度变化不大；纵向距离选择存在最小值，最小值与尾涡下沉速度成正相关，对于典型民航大型飞机，大约为800 m；当纵向距离大于最小值时，其变化基本不影响尾涡探测精度；机场激光雷达的最佳选址区域为横向位置在最佳横向距离附近、纵向距离大于最小值的长条形区域。可见，机场激光雷达最佳选址求解算法是有效的，可以应用于尾涡探测试验或动态尾流间隔系统的激光雷达选址决策分析。更多>

2022, 22(1): 229-239. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.019

摘要(738) HTML (265) PDF (1614KB) (43)

基于显示性偏好数据的航运承运人应对全球限硫令的选择偏好研究

白茜文, 侯尧, 杨冬

摘要: 建立了一个基于显示性偏好数据的航运承运人减排方案决策建模框架，从实证角度研究了承运人的实际减硫方案选择机制；基于AIS数据和其他相关数据库，采用数据挖掘方法与计量经济模型，综合考虑船舶特征、承运人特征和外部市场情况等方面共11个因素，克服了已有文献关注经济因素、忽视非经济因素的局限，系统分析了限硫令下承运人的应对措施选择。研究结果表明：11个因素均有助于解释承运人的能源选择，但其影响程度各不相同；各因素的修正效应量排序依次为距离新规实行的年限(3.957)、载重吨位(2.270)、船龄(1.711)、公司规模(1.579)、每吨燃料价差(1.456)、运价指数(1.442)、环保意识指数(1.353)、航速(1.243)、航程(1.172)、排放控制区航行占比(1.127)、贸易路线固定程度(1.108)；对于承运人的能源方案选择，距离新规实行的年限和载重吨位对承运人决策产生了非常重要的影响，修正效应量均大于2.0；船龄、公司规模、每吨燃料价差、运价指数和环保意识指数5个因素对于决策的影响程度适中，修正效应量为1.3~1.8；其余4个与承运人运营模式相关因素虽然对于决策有一定影响，但影响程度较小，其修正效应量均小于1.3。更多>

2022, 22(1): 240-249. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.020

摘要(742) HTML (239) PDF (1132KB) (91)

考虑多前车作用势的混行交通流车辆跟驰模型

宗芳, 王猛, 曾梦, 石佩鑫, 王力

摘要: 基于自动驾驶车辆(AV)和常规人驾车辆(RV)混合行驶的情况，在全速度差(FVD)模型的基础上考虑了多前车和一辆后车的车头间距、速度、速度差、加速度差等因素，建立了适用于AV和RV 2种车辆的混行车辆跟驰模型；引入分子动力学理论定量化表达了周围车辆对主体车辆的影响程度；利用RV和AV混行场景跟车数据，以模型拟合精度最高为目标，对所有参数遍历寻优，进行标定；对比分析了混行车辆跟驰模型和FVD模型控制下交通流的稳定性，解析了车速对交通流稳定性的影响；设计了数值仿真试验，模拟了城市道路和高速公路2种常见场景，分析了混行车辆跟驰模型的拟合精度。研究结果表明：考虑周围多车信息有利于提高交通流的稳定性；车辆速度越低交通流稳定性越差；考虑多车信息的分子动力学混行车辆跟驰模型可以提前获得整个车队的运行趋势，更好地模拟AV的动力学特征；与FVD模型相比，在城市道路条件下混行车辆跟驰模型中的RV平均最大误差与平均误差分别减小了0.18 m·s^-1和13.12%，拟合精度提高了4.47%；与PATH实验室的ACC模型相比，在高速公路条件下混行车辆跟驰模型中的AV平均最大误差和平均误差分别减小了7.78%和26.79%，拟合精度提高了1.21%。可见，该模型可用于混行环境下AV的跟驰控制与队列控制，以及AV和RV的跟驰仿真。更多>

2022, 22(1): 250-262. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.021

摘要(1424) HTML (505) PDF (4575KB) (261)

特种CAV优先的集中式匝道合流协同控制方法

王秋玲, 赵祥模, 徐志刚, 朱璋元, 官文英

摘要: 为保障无人驾驶环境下特种车辆在典型Y型匝道合流区快速平稳通过，研究了全网联自动驾驶车辆(CAV)集中控制场景中考虑特种车辆优先通行的协同控制方法；通过博弈确定了控制区内合流序列排布，考虑特种CAV任务优先属性与车型特征，分别设计了与加速度关联的特种CAV车道优先属性、与时间关联的车种优先属性和与加速度变化率关联的车型稳定优先属性，并在成本函数中进行联合表征；将特种CAV参与的合流序列排布转化为最优序列集求解，应用二人合作博弈收益矩阵法确定了最优合流序列；依据排序结果，应用庞特里亚金最大值原理求解了车辆轨迹控制，在最小策略成本下求得纵向轨迹最优解析解，实现了考虑特种CAV优先通行的协同控制；应用Python开发语言在实施算例中仿真验证了考虑特种CAV优先通行的协同控制方法，并与无控制策略和先进先出策略进行油耗与通行时间对比。研究结果表明：应用协同控制方法在有效保障特种CAV优先通行的基础上，有86%的车辆在合流期间可以保证以最大速度平稳通过合流区域；相比于无控制策略和先进先出策略，在累计油耗方面分别降低了11.8%与16.1%，车队通过合流区域的总时长领先2类传统合流策略各3 s；最大限速、初始速度和控制区长度均对应存在使特种CAV快速通行的阈值，可为合流区域设计提供参考。更多>

2022, 22(1): 263-272. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.022

摘要(1222) HTML (401) PDF (8664KB) (140)

多控制模型嵌入的智能汽车防撞虚拟仿真

仝秋红, 柴国庆, 赵华东, 高越, 张勇, 任锦涛, 冯明明

摘要: 针对智能汽车行驶安全距离监测与防撞试验高成本、高危险性以及试验结果难以观察的问题，研究了智能汽车安全距离监测与防撞的虚拟仿真；应用Visual Studio 2015、3Dmax、Unity3D等虚拟仿真技术在虚拟制动控制系统中进行了可嵌入多控制模型的自动驾驶汽车行车安全距离监测和防撞虚拟仿真试验，测试了不同制动模型的防撞应用效果；以电动汽车动力性能和制动力学特征为基础建立了虚拟整车模型及其制动系统模型，根据路面附着系数和不同道路材质建立了虚拟试验道路模型和试验场景等虚拟环境，开发了试验电子设备仿真模型，实现了多虚拟控制器嵌入，研究了基础模型和反向传播(BP)神经网络模型的嵌入与仿真效果；通过设计接口将虚拟软硬件设计效果与仿真试验过程相关联，并采用动画渲染直观展现，同时应用内存优化实现了在网络版访问服务器中进行虚拟仿真试验；通过实车试验验证了仿真系统，并对比了实车试验数据与2种模型的仿真数据。研究结果表明：在低速情况下，基础模型计算的安全距离与实车试验所测安全距离的相对误差为2.49%，BP神经网络模型预测的安全距离与实车试验所测安全距离的相对误差为2.07%；在高速情况下，因为传感器不稳定的原因，基础模型计算的安全距离与实车试验所测安全距离的相对误差为10.03%，BP神经网络模型预测的安全距离与实车试验所测安全距离的相对误差为10.35%。由此可见，该仿真系统可使高风险的碰撞试验在虚拟环境下完成。更多>

2022, 22(1): 273-284. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.01.023

摘要(1063) HTML (286) PDF (18069KB) (95)

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