环境风下高速铁路弓网动态受流特性研究

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1、国内图书分类号：U225.3密级：公开国际图书分类号：625西南交通大学研究生学位论文环境风下高速铁路弓网动态受流特性研究年级二〇一三级姓名宋洋申请学位级别工学博士专业电气工程指导教师刘志刚教授（博导）二零一七年十月一日ClassifiedIndex：U225.3U.D.C：625SouthwestJiaotongUniversityDoctorDegreeDissertationSTUDYONHIGH-SPEEDRAILWAYPANTOGRAPH-CATENARYCURRENTCOLLECTIONQUALITYUNDERENVIRON

2、MENTALWINDLOADGrade：2013Candidate：YangSongAcademicDegreeAppliedfor：Ph.DSpeciality：ElectricalEngineeringSupervisor：Prof.ZhigangLiuOct.1,2017西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或

3、扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密□，在年解密后适用本授权书；2．不保密√□，使用本授权书。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导老师签名：日期：2018年1月30日日期：2018年1月30日西南交通大学博士学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新

4、点如下：基于非线性有限元理论，采用索、杆单元建立接触网非线性模型。该模型能够充分描述接触网发生大变形时的非线性行为，能够精确求解接触网的初始形态。与欧标及国内外主流仿真模型进行对比，验证了该模型的静态找形和弓网动态求解的正确性。详细内容见第2章。基于流体诱发振动理论，考虑风攻角和风偏角的变化，推导了作用在接触网线索上的气动力模型。考虑脉动风的空间和时间相关性，建立了接触网沿线随机风场。通过研究接触网的风振响应及风振疲劳寿命，对接触网防风结构优化提供了建议。并考虑脉动风的影响，研究了不同风速和风向下的弓网受流质量。详细内容见第3章。针对随

5、机风场下弓网受流质量恶化问题，提出了受电弓的主动控制方案。通过建立多体动力学受电弓框架模型，描述作动器的作用位置。考虑控制器时滞、灵敏度及脉动风影响等实际因素，评估了不同控制参数下的控制效果。针对高时滞、低灵敏度等限制因素，建议了合适的控制参数。详细内容见第4章。基于邓哈托理论，揭示了接触网的舞动机理，采用流体力学计算方法测量了不同磨损程度接触线的气动力系数，确定了不同风速下接触网舞动的发生区域。通过非线性有限元求解，实现了接触网舞动的数值仿真。分别评估了张力等级对舞动的抑制效果，以及脉动风对舞动行为的影响。详细内容见第5章。基于波动分

6、析理论，建立了移动载荷激励下接触网的波动分析模型。分析了不同承力索和接触线张力下，吊弦的波动反射和透射系数。考虑多普勒效应，分析了波动频率与系统敏感频率的匹配关系，并基于波动分析方法对有限元仿真结果进行了解释。详细内容见第6章。学位论文作者签名：日期：2018年1月30日西南交通大学博士研究生学位论文第I页摘要我国高速铁路的快速发展为其安全运营带来了一系列的技术挑战，其中，弓网之间受流质量的恶化成为限制列车运行速度提升和影响运营安全的重要因素之一。一方面，由于接触网具有大跨度、高柔性等特点，环境风对弓网动态特性的影响不容忽视。短周期的时

7、变脉动风会引起接触网的强迫振动，从而影响接触网的疲劳寿命和弓网受流质量。极端情况下，环境风还会引起接触网的大幅舞动现象，造成运营的中断。另一方面，随着列车运行速度的提升，高速运行的受电弓引起的复杂波动传递现象是造成弓网受流质量恶化的内在因素。论文主要针对电气化铁路接触网的风振行为和波动特性展开研究，以接触网三维非线性模型为基础，针对脉动风引起的抖振现象，构建接触网沿线三维风场，研究接触网风振行为及其对弓网受流质量的影响，从而提出受电弓主动控制方案提升随机风场下弓网受流质量。针对接触网的舞动现象，揭示舞动的发生机理，推导自激力模型，实现舞

8、动的数值仿真。针对复杂的波动传播现象，建立接触网的波动模型，实现波动的数学描述，分析波动的反射和透射，研究波动频率和结构敏感频率的匹配关系。通过对以上三方面的研究，较为全面的揭示接触网抖振和舞动的发生机理、