[發(fā)明專利]一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的高速鐵路鋼軌廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110076379.4
• 申請日: 2021-01-20
• 公開（公告）號: CN112836272B
• 公開（公告）日: 2023-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高亮;姜涵文;安博倫;馬超智;鐘陽龍;蔡小培;趙聞強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 北京交通大學(xué)
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/27;G06N3/0499;G06N3/084;G06N3/086
• 代理公司: 北京市商泰律師事務(wù)所 11255
• 代理人: 黃曉軍

1.一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的高速鐵路鋼軌廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：

根據(jù)高速鐵路鋼軌的接觸位置得到鋼軌廓形優(yōu)化區(qū)域，根據(jù)所述鋼軌廓形優(yōu)化區(qū)域確定鋼軌廓形優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和所述鋼軌廓形優(yōu)化區(qū)域的約束條件；

選取所述鋼軌廓形優(yōu)化區(qū)域中的設(shè)定數(shù)量的待優(yōu)化點(diǎn)，根據(jù)所述待優(yōu)化點(diǎn)和所述鋼軌廓形優(yōu)化區(qū)域的約束條件生成備選鋼軌廓形；

使用多體動力學(xué)-鋼軌磨耗計(jì)算模型MDRW計(jì)算所述待優(yōu)化點(diǎn)的鋼軌磨耗，根據(jù)待優(yōu)化點(diǎn)的磨耗得到鋼軌磨耗目標(biāo)函數(shù)；

根據(jù)所述備選鋼軌廓形的坐標(biāo)和所述鋼軌磨耗目標(biāo)函數(shù)生成輸入及輸出數(shù)據(jù)集，使用所述輸入與輸出數(shù)據(jù)集訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；

基于遺傳算法搭建鋼軌廓形優(yōu)化模型，通過訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算遺傳算法中的適應(yīng)度函數(shù)值，輸出各個待優(yōu)化點(diǎn)的坐標(biāo)值，利用各個待優(yōu)化點(diǎn)的坐標(biāo)值形成優(yōu)化后的鋼軌廓形；

所述的根據(jù)所述鋼軌廓形優(yōu)化區(qū)域確定鋼軌廓形優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和所述鋼軌廓形優(yōu)化區(qū)域的約束條件，包括：

根據(jù)鋼軌的磨耗區(qū)域及鋼軌廓形優(yōu)化區(qū)域范圍確定鋼軌廓形優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，該鋼軌廓形優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如下式所示：

其中，m代表m型列車；α_m為m型列車權(quán)重，z₁,z₂,z₃,…,z_n是設(shè)計(jì)變量的z坐標(biāo)；代表m型列車對應(yīng)的第i個鋼軌廓形優(yōu)化點(diǎn)的磨耗，是m型車對應(yīng)的所有鋼軌廓形優(yōu)化點(diǎn)的平均磨耗；

所述鋼軌廓形優(yōu)化區(qū)域的約束條件由下式表達(dá)：

約束條件(1)

其中，(y_i,z_i)是鋼軌型面優(yōu)化區(qū)域內(nèi)的第i個待優(yōu)化點(diǎn)；

約束條件(2)

其中，l_i和u_i分別是第i個優(yōu)化點(diǎn)的上下限；Δz_i是新廓形與原始廓形對應(yīng)點(diǎn)的z坐標(biāo)差值；

所述的使用多體動力學(xué)-鋼軌磨耗計(jì)算模型MDRW計(jì)算所述待優(yōu)化點(diǎn)的鋼軌磨耗，根據(jù)待優(yōu)化點(diǎn)的磨耗得到所述鋼軌磨耗目標(biāo)函數(shù)，包括：

多體動力學(xué)-鋼軌磨耗計(jì)算模型MDRW由多體動力學(xué)模型和磨耗模型兩部分組成，多體動力學(xué)模型包括車輛模型及軌道模型，車輛模型包含一節(jié)車體和兩個轉(zhuǎn)向架，每個轉(zhuǎn)向架分別由一個構(gòu)架、兩個輪對、四個軸箱組成，各部件之間通過一系和二系懸掛連接，懸掛系統(tǒng)通過非線性力元模擬；軌道模型的線形包括直線和曲線區(qū)段，采用實(shí)測不平順作為外部激勵；

磨耗模型基于Archard材料磨耗理論進(jìn)行磨耗分析，磨耗體積損失由下式得到：

其中V_wear為磨耗體積m³；k_wear為無量綱的磨耗系數(shù)；N為法向接觸力N；s為滑動距離m；H為兩種材料中較軟材料的硬度；

在輪軌接觸的接觸斑區(qū)域內(nèi)，切向接觸采用FASTSIM算法進(jìn)行分析，法向接觸則采用Hertz接觸理論進(jìn)行計(jì)算，接觸斑離散為多個長方形單元，離散單元中心的法向應(yīng)力采用下式進(jìn)行計(jì)算：

其中(x,y)為離散單元中心的坐標(biāo)；a和b分別代表橢圓接觸斑的長短半軸長度，假定單元中心的法向應(yīng)力即為單元的法向應(yīng)力，離散單元的磨耗深度由下式表示：

其中Δd為在時(shí)間間隔Δt內(nèi)發(fā)生的彈性變形，其具體形式見下式：

其中S＝[s_xs_y]^T是由FASTSIM算法得到的總滑動速度；V_c為相對于接觸斑的離散單元的速度；Δx代表離散單元在前進(jìn)方向的長度，離散單元的磨耗深度由下式得到：

其中磨耗系數(shù)k_wear由試驗(yàn)得到；

根據(jù)各個離散單元的磨耗深度得到所述鋼軌廓形優(yōu)化區(qū)域的各個待優(yōu)化點(diǎn)的磨耗情況，根據(jù)各個待優(yōu)化點(diǎn)的磨耗通過數(shù)學(xué)處理后得到所述鋼軌廓形優(yōu)化區(qū)域的目標(biāo)函數(shù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根據(jù)高速鐵路鋼軌的接觸位置得到鋼軌廓形優(yōu)化區(qū)域，包括：

根據(jù)高速鐵路現(xiàn)場實(shí)測鋼軌的接觸位置信息、光帶寬度及分布情況，參考線路參數(shù)及運(yùn)行列車的車輪廓形信息，采用輪軌接觸關(guān)系相關(guān)理論分析得到鋼軌的接觸位置，根據(jù)鋼軌的接觸位置確定鋼軌廓形優(yōu)化區(qū)域。