高铁桥上行车安全和旅客舒适度评价精细仿真计算方法

本发明属于交通安全，具体涉及一种高铁桥上行车安全和旅客舒适度评价精细仿真计算方法。

背景技术：

1、2021年底，全国高铁营运里程已达4万公里，桥梁结构在大多数高铁线路中占比超过50%。随着高速铁路的持续快速发展，不可避免地穿越地震带、极端气候及地质状况不佳等特殊区域，势必造成桥梁结构桥墩沉降、梁端转角、梁体错台、支座变形等多种变形损伤模式。基于轨道-桥梁层间力学与变形协调作用，这些变形大多会映射至轨面，引起附加轨道不平顺，影响列车运行安全。桥梁结构变形是影响轨面几何形态极其关键的因素之一。

2、由于高速铁路无砟轨道-桥梁系统具有结构复杂性、病害多样性和工况时变性等特点，现有的研究基础和手段跟不上其发展的需求，致使车辆结构服役安全问题日益突出，迫切需要研究其中蕴含的关键科学问题及提出合理的防控措施解决这些工程问题，提升高铁线路的服役安全性能。另一方面，当前学者研究时，大多依赖于多类型商业软件的组合运用，还没完全适用的自主一体化的精细仿真计算系统。

3、针对上述问题，很有必要研究出一套自主可控的高铁桥上行车安全和旅客舒适度评价精细仿真计算方法，用以系统解决准确模拟综合考虑轨道随机不平顺及桥梁构件损伤致轨道附加不平顺情况下的行车安全和旅客舒适度精细仿真计算问题。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种高铁桥上行车安全和旅客舒适度评价精细仿真计算方法。

2、本发明的技术方案是：高铁桥上行车安全和旅客舒适度评价精细仿真计算方法，包括以下步骤：

3、a.建立桥梁结构数字孪生仿真计算模型；

4、b.建立高速列车数字孪生仿真计算模型；

5、c.建立旅客人椅数字孪生仿真计算模型；

6、d.建立完整的人-车-桥耦合仿真系统；

7、e.建立轨道随机不平顺数字孪生仿真计算模块；

8、f.建立桥梁结构损伤致轨道附加不平顺数字孪生仿真计算模块；

9、g.建立高速列车和轨道在轮轨接触面的耦合动力关系；

10、h.基于轨道随机不平顺数字孪生仿真计算模块、桥梁结构损伤致轨道附加不平顺数字孪生仿真计算模块，得到高铁桥梁结构上行车安全和旅客舒适度安全评价指标数字孪生计算模块；

11、i.基于高铁桥梁结构上行车安全和旅客舒适度安全评价指标数字孪生计算模块，得到桥梁结构损伤与行车安全和旅客舒适度的定量映射关系。

12、更进一步的，步骤a建立桥梁结构数字孪生仿真计算模型，具体过程如下：

13、首先，确定桥梁结构的组成构件；

14、然后，采用有限元法建立桥梁结构数字孪生仿真计算模型；

15、再后，组成构件的几何尺寸输入采用自定义任意截面输入；

16、最后，桥梁结构中的支座采用六方向支承弹簧进行模拟。

17、更进一步的，步骤b建立高速列车数字孪生仿真计算模型，具体过程如下：

18、首先，对不同的高铁列车建立不同自由度的高速列车数字孪生仿真计算模型；

19、然后，不同自由度高速列车根据拉格朗日方程原理建立振动运动方程。

20、更进一步的，步骤c建立旅客人椅数字孪生仿真计算模型，具体过程如下：

21、首先，建立人体模型，将人体视为一个生物弹性体，生物弹性体包括头部、脏腑和躯干，头部、脏腑和躯干均采用两个自由度进行表示；

22、然后，建立座椅模型，座椅模型采用两个自由度进行表示；

23、最后，将人体模型、座椅模型构成了一个完整的旅客人椅数字孪生仿真计算模型；

24、更进一步的，步骤d建立完整的人-车-桥耦合仿真系统，具体过程如下：

25、首先，将步骤a建立的桥梁结构数字孪生仿真计算模型和步骤b建立的高速列车数字孪生仿真计算模型构建成车-桥耦合仿真系统；

26、然后，将步骤c建立的旅客人椅数字孪生仿真计算模型加入车-桥耦合仿真系统，得到一个完整的人-车-桥耦合仿真系统。

27、更进一步的，步骤e建立轨道随机不平顺数字孪生仿真计算模块，具体过程如下：

28、首先，确定轨道随机不平顺的组成，轨道随机不平顺包括高低、轨向、轨距、水平、三角坑；

29、然后，将轨道随机不平顺转换成时程曲线作为车-桥耦合仿真系统的自激励；

30、再后，基于自激励的轨道随机不平顺和车-桥耦合仿真系统，得到轨道随机不平顺数字孪生仿真计算模块；

31、最后，采用三角级数法作为轨道随机不平顺数字孪生仿真计算模块的主算法，得到轨道随机不平顺数组。

32、更进一步的，步骤f建立桥梁结构损伤致轨道附加不平顺数字孪生仿真计算模块，具体过程如下：

33、首先，桥梁结构损伤包括桥墩沉降、梁体错台、梁端转角、支座脱空、扣件断条、板底砂浆层脱空；

34、然后，桥墩沉降、梁体错台、梁端转角、支座脱空、扣件断条、板底砂浆层脱空导致轨面形成附加不平顺；

35、最后，得到一种数组维度可自由扩展的通用损伤致轨道附加不平顺数组。

36、更进一步的，步骤g建立高速列车和轨道在轮轨接触面的耦合动力关系，具体过程如下：

37、首先，高速列车和轨道间的轮轨法向力采用非线性赫兹接触理论得到；

38、然后，高速列车和轨道间的轮轨切向蠕滑力采用kaller理论计算得到。

39、更进一步的，步骤h基于轨道随机不平顺数字孪生仿真计算模块、桥梁结构损伤致轨道附加不平顺数字孪生仿真计算模块，得到高铁桥梁结构上行车安全和旅客舒适度安全评价指标数字孪生计算模块，具体过程如下：

40、首先，将步骤e得到的轨道随机不平顺数组和步骤f得到的通用损伤致轨道附加不平顺数组叠加后再代入步骤d形成的人-车-桥耦合仿真系统；

41、然后，计算得到人-车-桥耦合动力响应的计算结果，人-车-桥耦合动力响应的计算结果包括列车运行安全指标和旅客舒适度指标。

42、更进一步的，步骤i基于高铁桥梁结构上行车安全和旅客舒适度安全评价指标数字孪生计算模块，得到桥梁结构损伤与行车安全和旅客舒适度的定量映射关系，具体过程如下：

43、首先，将步骤h中得到的人-车-桥耦合动力响应的计算结果作为第一个响应结果；

44、然后，将轨道随机不平顺数组计算得到的人-车-桥耦合动力响应的计算结果作为第二个响应结果；

45、再后，将第一个响应结果减去第二个响应结果得到第三个响应结果，第三个响应结果作为桥梁结构损伤致轨道附加不平顺数组对应的人-车-桥耦合动力响应计算结果；

46、再后，计算桥梁结构损伤致轨道附加不平顺对轨道里程的二阶导数；

47、再后，采用最小二乘拟合法建立上述二阶导数与第三个响应结果之间的定量关系；

48、最后，根据定量关系，建立保证行车安全和旅客舒适度的桥梁结构损伤阀值。

49、本发明的有益效果如下：

50、本发明针对高铁桥上行车安全和旅客舒适度评价精细仿真计算问题，建立了一套完全自主可控的完整的高铁桥上行车安全和旅客舒适度评价精细仿真计算方法技术。

51、本发明能够针对交通安全技术领域的高铁桥上行车安全和旅客舒适度评价精细仿真计算进行数字化构建，解决高铁桥上行车安全和旅客舒适度评价物理模型与数据驱动模型精准映射建模、设计、分析、诊断、决策的底层关键技术问题。