【《风荷载计算过程案例》1300字】

风荷载计算过程案例平均风和脉动风作为自然风的两大组成部分。平均风则与列车的稳态气动力相关，即静风力;脉动风和列车的非稳态气动力相关，即抖振风力。作用在列车上的风荷载由升力FL、阻力FD以及力矩M三个分量组成，每个分量又包括由平均风与列车风引起的静风力、脉动风引起的抖振风力组成。1.1车辆静风力由于风的稳态性质，车辆在运行中受到静风力的影响，在列车风与平均风的双重作用下形成静风力作用于列车表面。作用在车体表面形心处的静风力其表达式为：(1.1)式中：分别表示静风力作用下，列车形心处产生的阻力、升力、扭转力矩；为空气密度（取1.225kg/m3）[20];H为车辆高度；A表示列车车体的迎风面积(忽略转向架构架及轮对的影响)；CD、CL、CM分别为阻力、升力及扭转力矩对应的系数（均是关于风向摇头角ψ的函数）。列车运行中的阻力、升力和扭转力矩分别用字母FD、FL、M表示,结合式(3.3)、(3.4)可得：(1.2)1.2车辆抖振风力由于风的非稳态性质，车辆在运行过程中受到抖振风力的影响，为计算由于脉动风而引起的列车抖振风力，模拟沿列车方向等间隔的多个模拟点处的抖振风力，如图1.1所示作用在列车上的阻力、升力以及扭转力矩。图1.1列车上的风力由文献[1]指出，在横风作用下运行的列车，其所受风荷载的大小于列车各节所处位置相关，即中间车大于头车。假设不考虑头车、中间车及尾车的区别，将列车均当作中间车，则如图1.1，假设用U表示横向平均风速，w及u分别表示竖向和横向脉动风速，则列车的瞬时风速V和风攻角可以表示为：(1.3)(1.4)假设列车沿轨道运行速度VT，那么，将会有沿着向后的风速，横风相对于列车沿轨道运行方向的速度VR及风向摇头角φ可以表示为：(1.5)(1.6)多数情况下，横向脉动风速u及竖向脉动风速w相对于平均风速u都比较小，可以忽略不计，因此，化简式(1.7、1.8)可得：(1.7)(1.8)基于静态理论，作用在列车上的力可以表示为：(1.9)式中，Fs、FL及M分别表示列车的阻力、升力以及绕车体质量中心的扭转力矩；用ρ表示空气密度；H为列车的高度；A表示参考面积（,即列车长乘高，忽略转向架构架及轮对的影响）；CFs、及CM则表示与阻力、升力和扭转力矩有关的系数(均是有关风攻角和风向摇头角φ的函数)。对于三个有关阻力、升力及扭转力矩的系数，假如忽略摇头力矩，则可用Taylor技术形式进行展开：即(1.10)将式(1.9)、(1.10)、(1.12)带入(1.11)中，可得列车车体上各力的表达式为：(1.11)对于上式，,第一项为静风力，后两项则为列车抖振风力。用静态理论来表示抖振风力而引起一定的误差，因此引入气动导纳函数来减小误差，从而抖振风力可表示为：(1.12)其中，、、、、、分别表示脉动风速和抖振风力之间的传递函数；n表示频率，单位Hz；气动导纳函数即为该传递函数的绝对幅值。1.3不同车型的列车风荷载基于上述关于列车抖振风力计算过程，选择不同类型列车，同样借助Matlab编程语句，实现抖振风力计算程序化，求得列车风荷载大小。假设列车运行速度为120km/h，平均风速取10m/s，基于22型客车、25B型车以及CRH380A型动车组等不同车型计算其抖振风力。(1)22型车，硬座车，其车体上第10个模拟点抖振风力如图1.2所示：（a）10号模拟点的横向力和垂向力(b)10号模拟点扭转力矩图1.222型车列车抖振风力(2)25B型硬卧客车，其车体上10号模拟点抖振风力如图1.3所示：(a)25B型车10号模拟点横向力和垂向力(b)25B型车10号模拟点扭转力矩图1.325B型车列车抖振风力(3)CRH380A