本刊特稿

  • 隧道主动支护体系全过程信息化动态设计与智能决策方法研究

    田四明;李术才;刘大刚;王明年;

    隧道支护体系全过程信息化动态设计,是真正体现隧道设计施工一体化的理想设计方式。针对传统支护设计存在的针对性不强、统一性不高、安全冗余度偏大等问题,利用信息化、智能化等手段,研究支护体系全过程信息化动态设计与智能决策方法技术路线及关键内容。首先,给出涵盖地质、支护、施工等全过程全要素信息的样本数据库构建方法;其次,综合对比分析Bagging、Random Forest、Extra Trees等6种机器学习算法模型的适用性,明确智能设计决策算法优选类型;再次,提出基于支护变形指标的支护结构安全度量化评价方法;最后,制定支护优化智能决策反馈规则。研究结果为隧道支护体系全过程信息化动态设计与智能决策真正进入工程应用奠定了基础。

    2023年11期 v.45;No.313 1-10页 [查看摘要][在线阅读][下载 677K]
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铁道运输

  • 离所时间限制下动车组交路计划优化研究

    郭倩倩;王振宇;林柏梁;

    由于我国高速铁路系统一般在夜间进行检修作业,故动车所对动车组最晚离所时间会有一个限制,避免某些列车受检修天窗的影响而长时间停站。在编制动车组交路计划时考虑此类约束条件,将大幅增加模型的求解难度。本文针对该问题,将动车组最晚离开动车所时间、一级检修里程周期和时间周期作为约束条件,分析动车组交路的优化目的,以动车组接续总时间和动车组交路总损失里程最小化为目标,基于列车接续网络图,建立离所时间约束下的动车组交路计划优化模型。结合模型的特点及其复杂性,设计求解模型的模拟退火启发式算法。并以太原南动车所的46个列车车次为例,分别在不考虑离所时间约束和考虑离所时间约束两种场景下,生成动车组交路优化方案。结果表明:在动车组交路个数、接续总时间和平均运行里程等指标几乎相同的情况下,实现了离所时间约束,使得交路计划更加符合运输生产实际需求。

    2023年11期 v.45;No.313 11-19页 [查看摘要][在线阅读][下载 384K]
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  • 考虑货物异质性和模糊需求的高速铁路货运组织优化方法

    陈婉茹;张得志;秦进;曹健;徐光明;王超;

    组织实施高速铁路快运业务,是满足我国日益增长的高附加值、高时效性快运需求的有效方法。基于高速铁路快捷货运网络的“轴-辐”式特征,以及多品类货物集疏运需求的异质性和不确定性特点,研究高速铁路货运专列开行方案和配载方案的联合优化问题。提出异质货物协同运输策略,以总运营成本最小为优化目标,引入模糊集货需求下的机会约束和决策者风险偏好,构建高速铁路货运专列开行方案的混合非线性整数规划模型,设计基于并行改进变邻域搜索的启发式求解算法。以京沪高速铁路为例,对模型与算法进行验证和分析,结果表明:该优化方法能够有效提升高速铁路货运专列的装载率并降低运营成本,决策者风险偏好将直接影响优化方案。

    2023年11期 v.45;No.313 20-28页 [查看摘要][在线阅读][下载 769K]
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  • 基于LSTM-Attention的高速铁路司机警觉度预测

    潘雨帆;史磊;周宏宇;倪少权;张骏;郭孜政;

    准确度量高速铁路司机的警觉度是保障保证列车安全运行的关键问题。针对该问题提出一种通过眼动、心电信号及线路参数时序特征预测高速铁路司机警觉度的方法。研究基于心理学双任务范式设计模拟驾驶实验,主任务要求司机正常驾驶机车,次任务要求司机在看到红色信号灯亮起时迅速按键,以司机对次任务的反应时间来量化其警觉度。构建警觉度预测模型时,对每个试次提取7项眼动指标和19项心电指标以及环境参数,并通过灰色关联分析筛选出14项有效的生理指标。然后以司机生理指标和线路环境参数为自变量,以其对次任务的反应时间为因变量,构建基于LSTM-Attention算法的高速铁路司机警觉度预测模型。研究结果表明:LSTM-Attention模型对40名高速铁路司机反应时间预测平均绝对误差为92.86 ms,均方根误差为102.31 ms,平均相对误差为9.6%,且时间序列长度为5时预测效果最好,注意力机制的引入能减小模型约4%的预测误差。本文所提方法可实现对高速铁路司机警觉度的连续度量,可为驾驶辅助系统的研发提供技术理论支撑。

    2023年11期 v.45;No.313 29-37页 [查看摘要][在线阅读][下载 532K]
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铁道机车车辆、电气化

  • 铁路货车基础制动装置制动性能动态仿真方法研究

    穆鑫;

    铁路货车制动装置零部件较多,制动力传递路径长,连接部位状态复杂,对制动性能有较大的影响。针对目前研究货车基础制动装置制动效率采用的理论计算分析法结果偏差大、现场试验分析法效率低、成本高等问题,采用多体动力学理论,建立铁路货车基础制动非线性动力学模型,提出一种基于计算机仿真技术的铁路货车基础制动装置动态性能预测方法,通过试验和仿真结果对比分析,验证该方法在工程应用上的实用性。基于铁路货车基础制动装置动态性能的准确预测,该方法还可为提高铁路货车制动性能一致性和精准性快速找到优化方向,在铁路货车制动性能改进方面具有较高的应用价值。

    2023年11期 v.45;No.313 38-45页 [查看摘要][在线阅读][下载 879K]
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  • 基于升弓高度的受电弓气动抬升系数计算方法与分析

    宋诗扬;韩通新;

    为研究不同运行方向、工作高度下高速受电弓的空气动能性能,推导受电弓各臂杆间夹角相对升弓高度的数学计算模型,计算不同升弓高度下高速受电弓气动抬升力和气动抬升系数;采用Fluent计算流体力学软件对高速受电弓不同运行速度、开/闭口运行方向和工作高度下气动抬升力、气动抬升系数进行仿真建模与数值求解;利用现场线路试验数据验证仿真结果和理论分析结论。结果表明:受电弓开口方向运行时,其工作高度与气动抬升系数、气动抬升力呈正相关,闭口方向运行时成负相关关系。一般情况下,开口方向运行的高速受电弓空气动力性能优于闭口方向。

    2023年11期 v.45;No.313 46-52页 [查看摘要][在线阅读][下载 462K]
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  • 轨道车辆刚柔耦合振动疲劳分析评估方法

    靳世英;朴思扬;聂春戈;王辉;朴明伟;李向伟;

    轻量化车体具有线弹振动属性,但是其响应特性则要真实地反映轮轨接触与转向架悬挂两大非线性影响。轨道车辆刚柔耦合关系会因复杂约束奇异性而变得难以确定,使既有振动疲劳评估方法丧失了应用前提。利用刚柔耦合仿真技术,在多轴激励下构建一种基于动态质量阵的刚柔耦合关系,使柔性车体动态响应特性更加真实地反映相关非线性影响,实现与董氏结构应力恢复及焊缝疲劳损伤评估方法之间的无缝对接操作。应用这一新方法,某运煤敞车刚柔耦合仿真分析表明:在特定的直线扭曲激励输入下,车体摇晃迫使约6.10 Hz空车扭曲模态产生耦合共振,使钩缓冲击座附近焊缝最短寿命降低至30余万km。相应的下边去除修复方案也仅使最短疲劳寿命延长至50余万km。

    2023年11期 v.45;No.313 53-60页 [查看摘要][在线阅读][下载 1207K]
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  • 磁悬浮列车磁浮力的计算与分析

    汪斌;王伟旭;孙体佳;汤港归;

    磁悬浮交通系统具有速度域宽、噪声小、环保节能、无接触悬浮与导向等特性,受到较为广泛的关注与研究。在磁浮列车-桥梁耦合系统动力学问题中,作为桥梁与磁浮列车之间的相互作用力,磁浮力是引起磁浮列车-桥梁耦合系统振动最根本的激励源,对其进行准确的计算与分析及其重要。简要阐述常导电磁悬浮、电动磁悬浮、高温超导磁悬浮的悬浮特点与基本原理,综述3种磁悬浮模式下磁浮力的计算公式,分析不同磁悬浮原理的优缺点及其适用情况。研究结果可为不同制式下磁浮列车-桥梁耦合系统中磁浮力的确定提供一定的参考。

    2023年11期 v.45;No.313 61-69页 [查看摘要][在线阅读][下载 330K]
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  • 非饱和非对称二维随机共振系统的优化及在高速铁路轴承故障诊断中的应用

    刘小峰;黄洪升;柏林;

    针对传统双稳杜芬随机共振SR的输出饱和及噪声能量转换不足的问题,引入张角系数控制下的线性分段势阱函数,以抑制SR系统的输出饱和现象,采用非对称势阱函数扩大布朗粒子在单边势阱内的振荡范围,以增加SR输出幅值。结合非线性SR系统最佳耦合方式,构建非饱和-非对称二维SR系统,该系统的4个三维势阱的动力学特性丰富,势阱宽且陡峭度低,布朗粒子的振荡范围较大。采用多尺度简化粒子群优化算法,对构建的非饱和-非对称的二维SR系统进行多参数同步优化,进一步提高粒子在势阱内迁移向上的运动能量。仿真试验与高速铁路轴箱轴承的故障试验结果表明:所提出的优化耦合SR系统,能够显著增强特征信号幅值,提高噪声的利用率,在轴承早期损伤检测中具有突出优势。

    2023年11期 v.45;No.313 70-77页 [查看摘要][在线阅读][下载 822K]
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铁道通信信号、信息化

  • 基于量子密钥的高速铁路异构网络安全切换

    陈永;刘雯;常婷;

    随着高速铁路新一代无线通信系统的建设推进和GSM-R逐步退网,GSM-R和LTE-R网络将存在较长的共存期,如何保证高速列车在GSM-R和LTE-R异构网络之间的快速、安全切换,亟待解决。针对高速铁路无线通信异构网络切换认证过程中存在切换安全性低、认证开销高等问题,提出一种基于量子密钥的高速铁路异构网络安全切换认证方法。首先采用哈希操作生成伪身份PID和切换通行码PASS,实现异构网络间通信的平滑过渡。其次使用量子密钥分发策略实现认证切换过程中源网络和目标网络之间的预认证,降低异构网络间切换认证时延、抵抗临时通话密钥泄露。同时采用哈希、模指运算完成会话密钥的动态更新,实现密钥前后向安全性。最后采用认证测试方法进行安全性验证,并采用朔黄铁路LTE-R线路数据对本方法进行有效性验证。分析验证结果表明:本方法不仅能够抵抗伪装用户、中间人等攻击,而且在计算开销和通信开销等方面也较比较方法更优,能够满足下一代高速铁路异构网络的切换认证需求。

    2023年11期 v.45;No.313 78-89页 [查看摘要][在线阅读][下载 539K]
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  • 基于松弛时延的真空管高速飞车uRLLC贪心复用机制

    张嘉驰;刘留;王凯;刘琪;

    真空管高速飞车的安全运行需要多种车地通信业务的有效支撑,包括超高可靠低时延通信(uRLLC)业务和增强移动带宽(eMBB)通信业务,异质业务资源共存时可通过临时抢占eMBB业务的时频域资源优先保障uRLLC业务的传输。根据误码率和时延指标将uRLLC业务划分为5个等级,并将uRLLC业务复用时延范围进行松弛,在考虑uRLLC业务误比特率和复用时频域范围约束条件下,构建以最小化uRLLC业务总功率为目标的优化问题;提出一种贪心策略,在指定步骤内得到次优解以应对高速变化的环境。仿真结果表明:在信道状态较差或噪声功率谱密度较高的情况下,本复用策略能显著降低uRLLC业务复用所消耗的功率,提升车地无线通信的可靠性。

    2023年11期 v.45;No.313 90-97页 [查看摘要][在线阅读][下载 751K]
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  • 基于多通道输入和1DCNN-LSTM的道岔转辙机故障诊断

    付雅婷;温世明;杨辉;伍迎节;

    针对三相交流道岔转辙机故障诊断问题,提出一种基于多通道输入和一维卷积神经网络(1DCNN)-长短期记忆神经网络(LSTM)的故障诊断方法。首先使用经验模态分解算法对动作功率信号进行分解,获得若干个尺度特征不同的固有模态函数信号;其次建立基于1DCNN和LSTM的组合故障诊断模型,使用1DCNN提取功率信号中的局部特征,使用LSTM选择性提取局部特征中的长距离特征;然后通过所建模型诊断出道岔转辙机的故障类型,并结合t-分布随机近邻嵌入展示诊断效果;最后与经典的诊断方法进行对比分析。对比实验结果表明:本方法在道岔转辙机故障诊断中具有较高的准确性和稳定性,且具有较好的泛化性。

    2023年11期 v.45;No.313 98-106页 [查看摘要][在线阅读][下载 1013K]
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  • 基于CHMM和SSA-SVM模型的高速铁路道岔设备健康状态评估方法

    王彦快;米根锁;张玉;王宇峰;王朋雨;

    为更加精准地评估道岔设备健康状态,加强对设备的维护与管理,以ZDJ9型转辙机驱动的高速铁路道岔设备为研究对象,提取道岔功率曲线的时域、频域特征指标及经验模态分解奇异值熵,组成道岔特征指标向量,并采用核主成分分析法消除原始多维特征信息的冗余,构建道岔特征指标样本数据库;利用连续隐马尔可夫模型划分道岔退化状态,在此基础上,建立麻雀搜索算法优化支持向量机的健康状态综合评估模型。研究结果表明:所构建的健康状态评估模型的评估正确率高达98.75%,不仅能够实现高铁道岔设备健康状态综合评估效能,而且明显优于GridSearch-SVM、GA-SVM、PSO-SVM等组合算法,为实现道岔设备由“故障修”到“状态修”的综合智能维护提供可行途径。

    2023年11期 v.45;No.313 107-116页 [查看摘要][在线阅读][下载 759K]
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铁道工程、工程管理

  • 基于车辆响应的高速铁路轨道几何状态评估方法

    马帅;刘秀波;张彦博;陈茁;赵东全;

    轨道几何状态科学评估对保障高速铁路列车平稳、安全运行具有重要意义。基于高速综合检测列车多次检测数据,利用卷积神经网络、注意力模块和长短时记忆网络,分别学习数据的波形特征、注意力权值、长距离空间依赖关系特征,建立CBAM-CNN-LSTM车辆动态响应预测模型。该模型通过输入轨道几何、运行速度和车型预测不同工况下的车辆动态响应,进而利用预测的车辆动态响应评价轨道几何状态。研究结果表明,建立的模型能够有效预测车体振动响应,根据我国某高速铁路两种车型综合检测列车检测数据的验证结果,车体横向、垂向加速度的均方根预测误差分别为0.004g、0.009g,相关系数分别为0.608、0.793;利用预测的车辆动态响应评估轨道状态,能够有效识别引起车体振动加剧的轨道几何不利状态或隐形病害。此外,模型内部的注意力权值有助于分析挖掘导致轨道状态不良的轨道几何参数类型和位置信息。

    2023年11期 v.45;No.313 117-127页 [查看摘要][在线阅读][下载 2150K]
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  • 考虑道砟嵌入作用的有砟轨道基床表层变形行为研究

    聂如松;李亚峰;冷伍明;黄茂桐;周思危;董俊利;

    为研究有砟轨道道砟嵌入现象及其对基床表层变形行为的影响,开展以道砟碎石-基床粉土双层试样为研究对象的动三轴试验,分析道砟嵌入对基床表层变形行为的影响,探讨基于道砟嵌入指标的基床表层变形行为标准。试验结果表明,道砟嵌入使得道砟碎石-基床粉土试样的粉土表层出现道砟槽痕并发生侧向变形,同时承受动荷载的能力降低;提高动应力水平和增加粉土含水率会加剧道砟嵌入程度;道砟碎石-基床粉土试样的破坏模式可分为剪切破坏型和软化破坏型;基床粉土含水率较低时,道砟碎石-基床粉土试样整体变形主要源于道砟和粉土的压缩变形,而当粉土含水率较高时,道砟嵌入引起的轴向和侧向变形则较为显著;当粉土处于最优含水率时,道砟嵌入速率为2.9×10~(-5) mm/s时道砟碎石-基床粉土试样达到塑性安定极限,而当粉土处于天然含水率和饱和含水率时,塑性安定极限对应的道砟嵌入速率则为1.4×10~(-4) mm/s。

    2023年11期 v.45;No.313 128-137页 [查看摘要][在线阅读][下载 1079K]
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  • TDA道砟混合集料动力试验与能量重分布研究

    常建梅;李腾;李晓慧;邓晓琳;冯怀平;

    在道砟中加入废旧轮胎碎屑(TDA)是一种新型道床改良方法。由于相关研究工作的缺乏,对TDA混合集料物理力学性能及作用规律的研究尚不足,研究结论尚不统一,对混合TDA作用机理的研究非常少见。因此本文基于大型动三轴试验,采用统一击实功方法制备集料,分析循环荷载作用下两种TDA尺寸和不同掺量对累积塑性应变、动弹性模量、滞回曲线、阻尼比等动力特性的影响规律;利用能量原理,研究混合集料累积总能量、弹性应变能、耗散能的分布规律,探索TDA混合的作用机理。研究结论表明,TDA颗粒大小及掺量都能够对混合集料的动力性能产生显著影响,随TDA掺量增加,集料累积变形增加,动弹性模量总体呈下降趋势;添加TDA可有效提高集料阻尼比、降低道砟破碎率;随掺量增加,累积总能量、弹性应变能及耗散能增加,塑性变形的增加是TDA降低道砟破碎率的根本原因;TDA掺量超过一定数值,弹性应变能过大可能引发剧烈振动,添加8~16 mm粒径TDA时掺量应控制在10%以内,16~25 mm粒径TDA下掺量应控制在15%以内;16~25 mm粒径TDA虽然在降低道砟破碎程度上略低于8~16 mmTDA,但总体上动力性能受TDA影响较小。本文提出的考虑能量平衡分布方法可为改良方案的优化设计提供新思路。

    2023年11期 v.45;No.313 138-145页 [查看摘要][在线阅读][下载 842K]
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  • 不同压实状态浅季冻区膨胀土力学特性的冻融演化规律

    王亮亮;王照腾;田建胜;林宇亮;于明晖;

    为探究浅季节性冻土区不同密实状态的下膨胀土力学特性随冻融周期作用的演化规律,以取自平顶山的弱~中膨胀土为研究对象,配制不同密实状态的膨胀土试样,采用气候边缘地带浅季冻区极端低气温为冻结温度进行冻融循环与三轴剪切试验。试验结果表明:冻融循环作用下不同密实状态膨胀土的弹性模量、破坏强度及黏聚力均发生较大幅度衰减,内摩擦角则随冻融次数增加而呈现出波动性缓慢增长趋势;高压实系数膨胀土的“弱软化型”主应力差-应变关系随着围压和冻融次数增加而逐渐转变为“弱硬化型”;低压实系数膨胀土主应力差-应变关系为“硬化型”且随着围压增加而增强;相同密实状态与侧向约束围压时,膨胀土达到相同应变时的主应力差随冻融次数增加而迅速减小。

    2023年11期 v.45;No.313 146-153页 [查看摘要][在线阅读][下载 749K]
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  • 基于多目标并行加点映射代理模型的高速铁路桥上行车安全快速评价方法

    勾红叶;梁浩;赵虎;肖畅;刘钰;

    高铁基础结构服役性能劣化是影响轨面几何形态极其关键的因素之一,也是高铁长期安全运营需要考虑的关键核心问题。为破解传统算法难以快速评价列车安全舒适性的难题,提出基于映射代理模型的桥上行车安全快速评价方法。基于Kriging代理模型,首先提出一种多目标并行加点新算法,并对算法在优化精度、效率、稳定性方面的优越性进行验证;其次以软土沉降区域运营高铁为例,通过将物理模型与优化算法相结合,构建板底脱空条件下桥墩沉降与列车动力响应的多点映射关系,搭建复杂服役条件下高效率计算行车安全参数的映射代理模型,最终实现对行车安全性的快速评价。研究结果表明:提出的映射代理模型能在快速、准确计算沉降与脱空组合工况下列车动力响应的同时,精准刻画行车安全阈值轮廓,促进高铁桥上行车安全智能评价方法的逐步形成,有力保障高铁桥梁-轨道系统的安全服役。

    2023年11期 v.45;No.313 154-163页 [查看摘要][在线阅读][下载 1043K]
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  • 基于标准跨径的铁路桥梁孔跨匹配与条件优化方法

    廖立坚;杨新安;苏伟;王雨权;李黎;

    铁路桥梁长度长,跨越控制因素多,当采用标准梁跨设计时,为解决全桥梁跨匹配与优化问题,建立以梁跨重要性系数之和为目标函数,以道路、河流、管线为约束条件的整数线性规划模型,提出按约束条件分区布置再逐一合并的递推求解方法。结果表明,面对超大规模的最优化数学模型,通过定义布孔长度下限、布孔长度上限、修正布孔长度等参数,建立约束条件之间的联系,降低模型的计算维度,实现递推求解过程,从而节省求解时间。应用于多条高速铁路桥梁设计中,攻克铁路桥梁方案自动化设计的难题,解决长大桥梁精确、高效、经济的孔跨布置问题,实现梁跨与道路河流管线的优化匹配。

    2023年11期 v.45;No.313 164-172页 [查看摘要][在线阅读][下载 297K]
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  • 东平水道特大桥并联混合式减振方案研究

    郑成成;陈永祁;郑久建;欧阳辉来;马良喆;陈刚;

    为增强桥梁结构的抗震能力和耐久性,针对大跨度铁路桥梁车致振动及地震响应的动力特点,以东平水道特大桥为工程背景,提出一种并联混合式减振方案,研究黏滞阻尼器对纵向滑移体系桥梁地震响应的控制效果,分析不同控制体系对列车荷载引起结构响应的影响。研究结果表明,黏滞阻尼器能显著减小大跨度铁路桥的地震结构位移和内力响应;泄压阀锁定装置对列车制动力和行车荷载的抑振能力优于黏滞阻尼器;当黏滞阻尼器和泄压阀锁定装置协同工作时,在降低二者出力值的同时可实现对列车荷载更好的控制效果,由于传力路径的改变,控制后的墩底剪力和弯矩均有所增大,但锁定装置的增大效应更小。

    2023年11期 v.45;No.313 173-180页 [查看摘要][在线阅读][下载 797K]
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  • 薄壁梁剪切挠曲性能解耦分析方法研究

    周茂定;蔺鹏臻;张元海;

    为快速准确地获得薄壁梁的挠曲应力及位移,提出一种考虑各板剪切变形影响的薄壁梁挠曲分析方法。从薄壁板剪应变与位移关系出发,推导出具有明确力学机制的挠曲纵向位移函数;选取剪切变形引起的挠度作为广义位移,通过解耦挠曲性能提出剪切翘曲应力及挠度的一种简化分析方法;基于矩形板条的平面应力解,导出翼板翘曲应力修正系数的表达式;利用中支点的变形连续条件及简化分析理论,提出薄壁连续梁的剪切挠曲简化分析方法。数值算例结果表明,本文方法求得的应力结果与3D FEM结果最大误差在3%以内,挠度最大误差为6%以内,说明所提方法可靠且精度较高;参数分析表明,材料泊松比及板宽比对翼板的翘曲应力影响较大。

    2023年11期 v.45;No.313 181-188页 [查看摘要][在线阅读][下载 462K]
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