期刊,铁道科学与工程学报 2024年卷8期_国家学术搜索

期刊信息/Journal information

铁道科学与工程学报

主　　编：余志武

出版周期：双月刊

国际刊号：1672-7029

电子邮箱：jrse@mail.csu.cn

电　　话：0731-82655133；82656174

邮政编码：410075

地　　址：长沙市韶山南路22号

铁道科学与工程学报/Journal Journal of Railway Science and EngineeringCSCD北大核心CSTPCD

查看更多>>本刊是中南大学主办的以理工为主的综合性学术刊物。1979年创刊，1982年公开改进，主要刊登土木工程、建筑工程、交通工程、自动控制、计算机科学与技术、运输管理工程、机电工程、数学力学、基础研究等方面的学术论文。1992年起被列为全国中文核心期刊，1994年被列为美国Ei Page数据库核心期刊。

正式出版

收录年代

3D打印混凝土弯曲疲劳性能研究

杜仕朝康春霞邬晓光刘仲洋...

3237-3247页

查看更多>>摘要：为研究3D打印混凝土弯曲疲劳性能,通过216根3D打印试件弯曲疲劳试验,分析不同钢纤维体积率ρf和纤维长度lf对构件弯拉强度和弯曲疲劳性能的影响规律,基于双参数Weibull分布理论推导不同失效概率下的疲劳寿命计算公式,提出不同失效概率下的疲劳方程lg S=lg a-b lg N,并进一步分析钢纤维ρflf/df对构件疲劳性能的影响规律.研究结果表明:3D打印混凝土构件疲劳破坏实际是钢纤维发挥阻裂作用的过程,在裂缝产生、扩展、收缩、再扩展、再收缩直至破坏的过程中,裂缝的宽度、长度和深度一直在发生变化,从宏观角度是材料强度和弹性模量不断下降的过程,而微观角度是材料内部组织结构不断劣化的过程.3D打印构件中掺入的钢纤维能够有效阻止横向裂缝的产生和扩展,显著提升混凝土构件的抗弯拉强度、阻裂能力和耐疲劳性能,使其破坏形式由突然脆性破坏过渡为具有韧性的塑性破坏.钢纤维ρflf/df是影响构件抗弯拉疲劳性能的重要因素,在相同的应力比S=0.65作用下,钢纤维ρflf/df由0增至0.60时,构件疲劳次数N提高了252％;相同的疲劳次数N=106作用下,钢纤维ρflf/df由0增至0.60时,应力比提高了9.15％.3D打印混凝土试件中,钢纤维体积率ρf比钢纤维长度lf对疲劳性能的影响程度更明显.研究结果为进一步推动3D打印技术在道路、桥梁等基础设施领域的应用,促进交通行业智能化、工业化发展具有重要意义.

关键词：

3D打印试件弯曲疲劳性能Weibull分布钢纤维塑性破坏

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维普
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盾构隧道套筒-直螺栓新型环间接头抗剪性能研究

刘议文周子扬封坤何川...

3248-3261页

查看更多>>摘要：为在大直径盾构隧道中更好发挥接头的抗剪、定位功能,设计安装于管片环缝螺栓孔处、外套于螺栓的空心套筒,为了探究"直螺栓+套筒"新型环间接头的抗剪性能,以成都锦绣隧道为背景,建立环间接头的三维精细化数值模型,并开展足尺试验对数值模型的计算精度进行验证.结果表明:新型环间接头在抗剪过程中主要分为3个受力阶段:摩擦段、构件抗剪段和破坏失效段,其抗剪刚度随着错台的发展呈现出非线性.套筒对接头的抗剪性能有明显的强化作用,将超过其承载能力的剪切荷载平稳过渡给螺栓,避免了管片突然产生滑移错台,并对管片有一定的保护作用.套筒与直螺栓的受力配合机理为:在管片产生微小错台时,套筒发生弹性变形并承担主要剪力,随着错台量增大,套筒逐渐进入塑性状态,螺栓承担主要剪力.套筒的加入能显著改善环间接头对于微小错台的控制能力,并且由于其自身具备的导向定位功能,能在管片拼装阶段就达到降低错台率和错台量的效果.足尺试验表明新型接头的破坏形式为:套筒、螺栓进入塑性状态而失效,管片发生以螺栓孔为对称中心、与水平方向成30°～45°的对称剪切破坏,管片薄弱区域为螺栓孔附近位于管片内弧面一侧的钢筋混凝土.研究成果将为此类接头今后的工程应用提供参考.

关键词：

盾构隧道环间接头数值模拟抗剪性能接头足尺试验

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维普
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考虑岩石破碎程度的数字化钻进单齿推力模型

杨宏伟韩凤岩唐晖李慧臻...

3262-3273页

查看更多>>摘要：数字化超前钻探依赖于建立随钻参数与围岩特征之间的定量关系,如何定量分析围岩破碎程度对于推力的影响是个重要难题,对于预测不良地质地层具有重要意义.提出一个基于小孔扩张理论的单齿推力理论模型,模型采用Hoek-Brown破坏准则和非关联流动法则,描述岩石破碎程度对于岩石强度的影响.基于弹塑性力学,推导小孔扩张模型的应力场和位移场,并将模型应用到岩石贯入试验中,建立单齿贯入岩石过程中贯入深度与无量纲塑性区半径的定量关系.该理论模型考虑了刀头形状参数、岩石破坏程度和围压等重要参数对于推力的影响,并可以得到单齿贯入岩石过程中贯入深度与贯入力的定量关系.为验证模型的准确性,开展2种不同地质强度指标的楔形探头贯入岩石试验,试验结果与模型曲线趋势及数量级一致.将模型预测结果与文献中试验数据相对比,进一步验证了模型的可靠性,且表明本文模型在实际工程利用贯入力预测掌子面围岩破碎程度时更趋于安全.参数分析研究表明,岩石破坏程度、围压和岩石强度参数对于推力影响较大,推力与地质强度指标呈负相关关系,与围压和楔形刀头倾角呈正相关关系.结合钻头中单齿分布情况,该理论模型可以用来探讨实际工程推力参数与围岩参数的关系,推进实现数字化超前钻探.

关键词：

小孔扩张理论单齿推力模型岩石破碎Hoek-Brown准则围压

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维普
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结构拓扑优化的Q学习-元胞方法研究

宋旭明史哲宇包世鹏唐冕...

3274-3285页

查看更多>>摘要：传统的拓扑优化算法均基于灵敏度分析的方式求解,如渐进结构优化法(Evolutionary Structural Optimization,ESO)和变密度法(Solid Isotropic Material with Penalization,SIMP)等,灵敏度分析依赖于严谨的数学模型,结果可信度高,但面对不同的结构和约束条件都需要反复重新推导单元灵敏度,对使用人员的数学能力有较高要求,而且也导致了收敛速度慢、迭代步数多的问题.针对现有优化方法中存在的缺陷,结合强化学习Q学习理论和元胞自动机原理,提出一种新的拓扑优化方法:Q学习−元胞法(Q-learning-Cellular Automaton,QCA),尝试为工程构件的优化设计提供一种新思路.这种方法以有限元单元作为元胞,将所有元胞的智能行为集成为一个Q-learning智能体.训练过程中,各个元胞首先完成对自身环境的感知,然后调用智能体进行决策并通过环境交互得到反馈,智能体也借此得到大量数据来学习更新,整个过程不涉及数学模型推导,通过智能体和元胞的不断探索即可完成优化.在此基础上,探讨元胞的选择及其邻域和状态的描述方式,针对元胞的动作空间及收益函数进行比选,进而编制相关拓扑优化软件.优化算例表明,QCA方法优化后的拓扑构型与传统优化方法的构型基本一致,迭代步数较SIMP法降低了64％,且柔顺度更低.Q学习−元胞法在结构拓扑优化中具备良好的可行性,计算效率高且具有迁移优化能力,在结构拓扑优化领域极具潜力.

关键词：

拓扑优化强化学习Q学习元胞自动机优化计算

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维普
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动车组车体模态频率贡献度和改进方法研究

周韶泽张军兆文忠

3286-3297页

查看更多>>摘要：针对高速列车车体低阶模态频率提升过程中,传统灵敏度分析方法存在的设计变量繁多和难以识别出优先改进部件的难题,提出了一种新颖的车体模态频率贡献度评估与结构改进方法.重点分析了铝合金车体板件厚度与模态频率的灵敏度关系,并在此基础上提出了部件模态贡献度概念,推导和建立了描述部件模态频率灵敏度与贡献度的数学模型.通过对动车组车体中各铝型材的贡献度进行计算,详细分析了车顶、侧墙、底架等六大部件对前3阶模态频率的影响.研究揭示,部件模态贡献度表示了局部部件对整体结构模态影响的大小,呈现了灵敏度无法显示的全局量化指标.车顶部件对车体前3阶模态的贡献度最大,侧墙和底架居中,底架边梁、端墙和牵枕缓最小.车顶与侧墙、侧墙与底架连接处的型材对低阶模态产生了显著影响.通过增加内外板厚度并适度降低内部筋板厚度的策略,可提升1阶垂弯模态频率.应用所提出的方法,基于车体54个部件模态贡献度,成功甄别出车顶和连接处型材等优先优化部件并进行了改进,实现了1阶垂弯模态频率从9.5 Hz提升至10.2 Hz,同时将车体重量增加控制在43 kg以内,验证了方法的有效性和高效性,为车体模态频率的优化提供了清晰的路径.该方法具有广泛的适用性,可推广应用于其他领域的结构模态改进.

关键词：

动车组车体模态频率灵敏度模态贡献度结构改进

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圆柱销-凹槽挤压式吸能结构的吸能特性和数值仿真研究

李飞肖毅华

3298-3309页

查看更多>>摘要：防爬器是列车被动安全防护系统中的重要组成部分,在列车碰撞过程中吸收碰撞能量,减少对车体的损伤,保护乘员的安全.吸能结构是防爬器中的关键部分,不仅要能提供足够的缓冲力,而且要使缓冲力具有良好的平稳性,并具有较好的抗偏载能力.为探讨一种圆柱销−凹槽挤压式吸能结构的吸能特性,设计一组由相同直径的圆柱销和不同槽宽的凹槽组成的挤压式吸能结构,基于万能材料试验机对其开展准静态下的吸能特性测试,获得吸能结构的缓冲力变化曲线.实验结果表明:该吸能结构的缓冲力变化平稳,经过较短的挤压行程即能达到稳定状态;随着槽宽减小,挤压量增加,稳态缓冲力增大;但槽宽过小时,会造成凹槽侧壁从根部发生断裂,使得稳态缓冲力反而降低.同时,建立该挤压吸能结构的吸能特性有限元仿真模型,对其挤压吸能过程进行仿真.仿真结果与实验结果符合度良好,较好再现了缓冲力的变化规律以及槽宽对缓冲力的影响.基于仿真模型,研究凹槽壁厚、圆柱销偏移等因素对该吸能结构吸能特性的影响.结果表明:随着壁厚增加,稳态缓冲力增大,但稳态力的增加幅度逐渐减小;随着圆柱销偏移位移增加,稳态缓冲力逐渐减小,缓冲力曲线波动更剧烈.

关键词：

列车碰撞吸能结构挤压试验缓冲力数值模拟

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维普
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横向载荷作用下表征螺栓紧固结构松动特征参量的研究

蒋广耀鲁连涛张明远曾东方...

3310-3320页

查看更多>>摘要：为建立评价螺栓紧固结构在横向振动载荷作用下的松动判据,开展基于升降法的螺栓松动试验,联合有限元仿真计算,对螺栓紧固结构松动特征参量进行量化表征.首先,使用设计改进后的试验装置进行螺栓松动试验,在3种不同的预紧力条件下,通过升降法确定对应的3个最小横向松动载荷;然后,基于试验条件,建立带有螺纹接触面的螺栓紧固结构有限元模型,逐级施加横向载荷,直至有限元模型预紧力发生明显下降;最后,对被夹板接触面上的多个参量进行分析,讨论不同参量在螺栓发生松动时的变化情况.试验与仿真结果表明:螺栓紧固结构的松动主要受上、下被夹板接触面的摩擦力影响;在不同预紧力条件下,螺栓紧固结构发生松动时,其最小横向松动载荷不同,预紧力越大,最小横向松动载荷也越大;当螺栓紧固结构在3个最小横向松动载荷作用下发生松动时,得到的3个被夹板中心线上的位移量最大值基本相等;位移量最大值的数值与螺栓预紧力大小无关,属于螺栓紧固结构基本属性,因此将此位移量最大值作为螺栓紧固结构的松动特征参量,以表征横向振动载荷作用下螺栓紧固结构的松动.当螺栓紧固结构尺寸和预紧力已知时,基于该参量,可以计算出使螺栓发生松动的最小横向载荷幅值.研究成果可以为高速列车中的螺栓紧固结构防松设计提供依据.

关键词：

螺栓紧固结构预紧力松动位移量防松设计

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共母线开绕组永磁同步牵引电机级联模型预测电流控制

高锋阳吴银波徐昊史志龙...

3321-3334页

查看更多>>摘要：为抑制共母线开绕组永磁同步牵引电机传动系统转矩脉动和由共模电压以及三次谐波反电动势作用于零轴回路产生的零序电流,提出一种自抗扰级联模型预测电流控制方法.首先,在第1级采用第1个有效电压矢量使得q轴电流增加,第2个有效电压矢量使得q轴电流减小,这一新的筛选组合规则将2个有效矢量根据对q轴电流作用效果分组寻优和作用时间分配;其次,在第2级对第1级所选有效电压矢量的零轴分量局部寻优,在第3级对第1级和第2级优化后系统产生的零轴电流分量采用极性相反的零矢量进行矢量分类寻优抑制,并精确分配作用时间;然后,在第4级对前3级所选电压矢量进行开关状态局部寻优,确定最优电压矢量的低开关频率状态组合作用于逆变器.最后,引入自抗扰控制减少电机启动加速过程中的调速超调,并对所提策略和双矢量模型预测电流控制进行稳态和动态仿真对比.结果表明:所提策略对转矩脉动、零轴电流、总谐波畸变率、开关频率和调速超调都具有很好的抑制效果,避免了传统模型预测控制的多目标代价函数中权重系数整定,对系统的控制性能有明显的提升作用.研究结果为进一步对共母线开绕组永磁同步牵引电机传动系统弱磁控制进行究,以及将驱动控制系统应用于机车牵引提供参考.

关键词：

开绕组永磁同步牵引电机级联模型预测转矩脉动零轴电流自抗扰控制

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复杂山区铁路隧道勘察设计工程质量风险识别及耦合演化分析

王晨王卫东李艳鸽

3335-3346页

查看更多>>摘要：铁路隧道工程勘察设计阶段工作对整个工程的全生命周期质量具有重要影响.然而,山区地质条件复杂、自然灾害频发等特点给铁路隧道勘察设计带来极大挑战,而且铁路工程质量风险构成复杂,风险事件的发生通常是多风险耦合作用的结果.目前关于铁路隧道的研究多聚焦于隧道的关键技术、施工安全、绿色性能等方面,鲜有立足勘察设计阶段的山区铁路隧道质量风险耦合研究.为从勘察设计阶段提高隧道工程质量目标的成效,提出基于突变理论的质量风险耦合效应分析模型.首先从内部诱因(人员、技术、管理)和外部诱因(地质、社会、自然)2个维度辨识影响复杂山区铁路隧道勘察设计的质量风险源,并结合改进重要性−绩效分析法(IPA)对风险因子进行层级归类;其次分析多风险因素耦合的形成机理,基于突变理论从耦合度和稳定性2个方面分析铁路隧道勘察设计工程质量风险耦合效应,并构建尖点突变模型进行风险耦合路径演化分析;最后以某复杂山区铁路隧道为例,利用提出的方法进行验证,确定其风险耦合等级为Ⅲ级,存在高风险的耦合程度,质量风险需要警惕,但整体系统处于稳定状态.该研究可以为复杂山区铁路隧道勘察设计工程质量风险决策提供理论支撑.

关键词：

复杂山区铁路隧道勘察设计质量风险耦合突变理论改进重要性−绩效分析法(IPA)

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基于GCD-FER的大跨度钢桁架场馆施工安全风险评估研究

李家才冷振清岳建军李瑚均...

3347-3357页

查看更多>>摘要：大型场馆多采用大跨度钢桁架作为屋面支撑结构,而大跨度钢桁架因其尺寸与质量大、拼接工序繁琐,施工过程中易发生安全事故,导致重大人员伤亡和经济损失,有必要探究和评估大跨度钢桁架场馆施工安全风险.基于"人员−材料设备−技术−环境−管理"框架,运用文献研究和专家讨论等来辨识安全风险,集成灰色关联度(GCD)与模糊证据推理(FER)构建相匹配的风险评估方法,并选用ZN大学体育馆项目开展案例实证.研究发现:大跨度钢桁架场馆施工安全风险清单包括施工人员、施工材料与设备、施工技术、施工环境、施工管理等5类1级安全风险以及21个2级安全风险;安全风险清单与评估方法可分别用来辨识相关安全风险因素和评估各级安全风险等级;实证研究揭示ZN大学体育馆项目的施工安全风险为中等级风险,施工管理风险与施工技术风险为显著的1级安全风险,钢桁架高空拼接技术不完备为显著的2级安全风险.研究可丰富大跨度钢桁架场馆施工安全风险评估的理论知识,为安全管理人员现场开展科学有效的安全管理提供参考.

关键词：

大跨度钢桁架场馆施工安全风险评估安全风险清单灰色关联度模糊证据推理

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