• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

基于ARMAX代理模型的车-桥耦合系统可靠性研究

向活跃 陈绪黎 李永乐

向活跃, 陈绪黎, 李永乐. 基于ARMAX代理模型的车-桥耦合系统可靠性研究[J]. 西南交通大学学报, 2022, 57(6): 1217-1223, 1232. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200118
引用本文: 向活跃, 陈绪黎, 李永乐. 基于ARMAX代理模型的车-桥耦合系统可靠性研究[J]. 西南交通大学学报, 2022, 57(6): 1217-1223, 1232. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200118
XIANG Huoyue, CHEN Xuli, LI Yongle. Reliability Analysis of Coupled Train-Bridge Systems Based on ARMAX Surrogate Model[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2022, 57(6): 1217-1223, 1232. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200118
Citation: XIANG Huoyue, CHEN Xuli, LI Yongle. Reliability Analysis of Coupled Train-Bridge Systems Based on ARMAX Surrogate Model[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2022, 57(6): 1217-1223, 1232. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200118

基于ARMAX代理模型的车-桥耦合系统可靠性研究

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200118
基金项目: 国家自然科学基金(51978589, 51778544, 51525804)
详细信息
    作者简介:

    向活跃(1986—),男,副教授,博士,研究方向为车桥耦合振动和桥梁抗风,E-mail: hy@swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: U270.1

Reliability Analysis of Coupled Train-Bridge Systems Based on ARMAX Surrogate Model

  • 摘要:

    为探究车-桥耦合系统可靠性的效率和精度,建立列车-桥梁的耦合振动模型,并采用自回归方法模拟轨道不平顺. 回顾ARMAX (auto-regressive moving average exogenous)模型的基本原理,提出了基于ARMAX代理模型的车-桥耦合系统可靠性分析框架;利用代理模型获得列车响应预测值,并与直接蒙特卡罗模拟(monte carlo simulation,MCS)法结果进行对比,探讨了代理模型在分析行车安全时的计算精度和可靠性分析效率. 结果表明:代理模型预测列车竖向和横向加速度响应的效率显著高于MCS法,约为3个数量级;预测竖向、横向车体加速度的精度分别为98.66%、86.55%,求解精度较好,可显著提高车-桥耦合系统可靠性分析的效率.

     

  • 图 1  ARMAX模型结构

    Figure 1.  ARMAX model structure

    图 2  8辆车的车体加速度响应

    Figure 2.  Acceleration response of 8 car bodies of the train

    图 3  竖向加速度的目标值和预测值

    Figure 3.  Target value vs predicted value ofvertical acceleration

    图 4  横向加速度的目标值和预测值

    Figure 4.  Target value vs predicted value oflateral acceleration

    图 5  车体横向加速度时程曲线

    Figure 5.  Lateral acceleration time-history curves ofcar body

    图 6  车体加速度超越概率

    Figure 6.  Exceedance probability of car body acceleration

    表  1  加速度响应结果对比

    Table  1.   Comparison of acceleration responses m/s²

    项目 正弦激励 随机激励
    竖向 横向 竖向 横向
    文献[21] 0.775 0.490
    文献[22] 0.735 0.480
    本文结果 简化前 0.818[23] 0.535[23] 0.369 0.271
    简化后 0.836 0.687 0.369 0.281
    下载: 导出CSV
  • [1] 冯星梅. 中小跨度铁路桥梁横向振动模拟及适应快速行车结构型式的研究[D]. 北京: 铁道部科学研究院, 2000.
    [2] 晋智斌. 车-线-桥耦合系统及车-桥随机振动[D]. 成都: 西南交通大学, 2007.
    [3] 张志超,张亚辉,林家浩. 车桥耦合系统非平稳随机振动分析的虚拟激励-精细积分法[J]. 工程力学,2008,25(11): 197-204.

    ZHANG Zhichao, ZHANG Yahui, LIN Jiahao. Pem-pim scheme for non-stationary random vibration analysis of vehicle-bridge systems[J]. Engineering Mechanics, 2008, 25(11): 197-204.
    [4] 朱艳,李小珍,强士中. 高速铁路简支梁桥车桥系统随机响应[J]. 西南交通大学学报,2011,46(4): 535-540. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2011.04.002

    ZHU Yan, LI Xiaozhen, QIANG Shizhong. Stochastic responses of train-bridge coupling system for simply-supported high-speed railway bridge[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2011, 46(4): 535-540. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2011.04.002
    [5] 朱思宇. 车-桥耦合系统振动的随机特性及极值分析[D]. 成都: 西南交通大学, 2017.
    [6] 彭勇波,李杰. 非线性随机振动分析的概率密度演化方法[J]. 西南交通大学学报,2014,49(2): 220-226. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2014.02.006

    PENG Yongbo, LI Jie. Probability density evolution method of nonlinear random vibration analysis[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2014, 49(2): 220-226. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2014.02.006
    [7] 余志武,毛建锋,谈遂,等. 车桥竖向随机振动的概率密度演化分析[J]. 中南大学学报(自然科学版),2015,46(4): 1420-1427. doi: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.04.032

    YU Zhiwu, MAO Jianfeng, TAN Sui, et al. Probability density evolution analysis of track-bridge vertical coupled vibration with irregularity random excitation[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2015, 46(4): 1420-1427. doi: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.04.032
    [8] XIA H, ZHANG N, DE ROECK G. Dynamic analysis of high speed railway bridge under articulated trains[J]. Computers & Structures, 2003, 81(26/27): 2467-2478.
    [9] AU F T K, WANG J J, CHEUNG Y K. Impact study of cable-stayed railway bridges with random rail irregularities[J]. Engineering Structures, 2002, 24(5): 529-541. doi: 10.1016/S0141-0296(01)00119-5
    [10] LEI X Y, NODA N A. Analyses of dynamic response of vehicle and track coupling system with random irregularity of track vertical profile[J]. Journal of Sound and Vibration, 2002, 258(1): 147-165. doi: 10.1006/jsvi.2002.5107
    [11] 苏成,钟春意,周立成. 车桥耦合系统随机振动的时域显式解法[J]. 应用数学和力学,2017,38(1): 99-108. doi: 10.1007/s10483-017-2158-6

    SU Cheng, ZHONG Chunyi, ZHOU Licheng. Random vibration analysis of coupled vehicle-bridge systems with the explicit time-domain method[J]. Applied Mathematics and Mechanics, 2017, 38(1): 99-108. doi: 10.1007/s10483-017-2158-6
    [12] 陈皓,程晓卿,俞秀莲,等. 列车脱轨系数的精确预测方法研究[J]. 计算机仿真,2013,30(7): 142-146. doi: 10.3969/j.issn.1006-9348.2013.07.032

    CHEN Hao, CHENG Xiaoqing, YU Xiulian, et al. Research on accurate prediction method of train derailment coefficient[J]. Computer Simulation, 2013, 30(7): 142-146. doi: 10.3969/j.issn.1006-9348.2013.07.032
    [13] 庞学苗. 基于人工神经网络的轮轨力预测[D]. 南京: 南京理工大学, 2012.
    [14] HAN X, XIANG H Y, LI Y L, et al. Predictions of vertical train-bridge response using artificial neural network-based surrogate model[J]. Advances in Structural Engineering, 2019, 22(12): 2712-2723. doi: 10.1177/1369433219849809
    [15] XIANG H Y, TANG P, ZHANG Y, et al. Random dynamic analysis of vertical train-bridge systems under small probability by surrogate model and subset simulation with splitting[J]. Railway Engineering Science, 2020, 28(3): 305-315. doi: 10.1007/s40534-020-00219-6
    [16] 魏延宝,林红权,马增良,等. 基于ARMAX模型的集中供热系统负荷预测研究[J]. 自动化与仪表,2014,29(7): 1-4,21. doi: 10.3969/j.issn.1001-9944.2014.07.001

    WEI Yanbao, LIN Hongquan, MA Zengliang, et al. Central heating system load prediction based on ARMAX model[J]. Automation & Instrumentation, 2014, 29(7): 1-4,21. doi: 10.3969/j.issn.1001-9944.2014.07.001
    [17] 李永乐. 风-车-桥系统非线性空间耦合振动研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2003.
    [18] 朱艳. 车桥系统随机振动理论与应用研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2010.
    [19] 李小珍. 高速铁路列车-桥梁系统耦合振动理论及应用研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2000.
    [20] 贾进峰,张进秋,张建,等. 基于路面谱随机激励的履带车辆舒适性仿真研究[J]. 系统仿真学报,2012,24(6): 1350-1354. doi: 10.16182/j.cnki.joss.2012.06.024

    JIA Jinfeng, ZHANG Jinqiu, ZHANG Jian, et al. Ride comfort simulation of tracked vehicles from stochastic excitation based on road surface spectrum[J]. Journal of System Simulation, 2012, 24(6): 1350-1354. doi: 10.16182/j.cnki.joss.2012.06.024
    [21] 陈果. 车辆-轨道耦合系统随机振动分析[D]. 成都: 西南交通大学, 2000.
    [22] 刘德军. 风-列车-线路-桥梁系统耦合振动研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2010.
    [23] 向活跃,唐平,王涛,等. 基于子集分裂模拟的车-桥系统极值响应统计[J]. 振动与冲击,2020,39(5): 105-111,136.

    XIANG Huoyue, TANG Ping, WANG Tao, et al. Extreme value response statistics of a vehicle-bridge system based on SS/S method[J]. Journal of Vibration and Shock, 2020, 39(5): 105-111,136.
    [24] 罗德河,郑东健,甘声玄,等. 基于ARMAX模型的混凝土坝损伤诊断[J]. 武汉大学学报(工学版),2018,51(4): 294-298. doi: 10.14188/j.1671-8844.2018-04-003

    LUO Dehe, ZHENG Dongjian, GAN Shengxuan, et al. Damage diagnosis of concrete dams based on ARMAX model[J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2018, 51(4): 294-298. doi: 10.14188/j.1671-8844.2018-04-003
    [25] ZHANG N, TIAN Y, XIA H. A train-bridge dynamic interaction analysis method and its experimental validation[J]. Engineering, 2016, 2(4): 528-536. doi: 10.1016/J.ENG.2016.04.012
    [26] 李小珍,朱艳,晋智斌. 车辆-桥梁耦合系统垂向振动的随机分析[J]. 钢结构,2010,25(12): 5,13-16.

    LI Xiaozhen, ZHU Yan, JIN Zhibin. Stochastic analysis of train-bridge time-varying vertical system[J]. Steel Construction, 2010, 25(12): 5,13-16.
  • 加载中
图(6) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  351
  • HTML全文浏览量:  130
  • PDF下载量:  30
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-20
  • 修回日期:  2021-03-24
  • 网络出版日期:  2022-08-03
  • 刊出日期:  2021-04-01

目录

    /

    返回文章
    返回