基于Seed-PCG法的列车-轨道-地基土三维随机振动GPU并行计算方法

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作者 朱志辉 冯杨 +2 位作者 杨啸 李昊 邹有 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第1期302-316,共15页

为了解决列车-轨道-地基土三维有限元模型随机多样本计算效率低的问题,本文提出了一种基于Seed-PCG法的高效并行计算方法。基于有限元法和虚拟激励法建立轨道不平顺激励下的三维列车-轨道-地基土耦合随机振动分析模型;针对车致地基土随... 为了解决列车-轨道-地基土三维有限元模型随机多样本计算效率低的问题,本文提出了一种基于Seed-PCG法的高效并行计算方法。基于有限元法和虚拟激励法建立轨道不平顺激励下的三维列车-轨道-地基土耦合随机振动分析模型;针对车致地基土随机振动分析产生的多右端项线性方程组求解问题,采用Seed-PCG方法进行求解。通过PCG方法求解种子系统得到的Krylov子空间进行投影,以改进其余线性方程组的初始解和对应的初始残量,有效提高了PCG法的收敛速度,最后,在MATLABCUDA混合平台上开发了并行计算程序。数值算例表明:相同计算平台下的该方法相比多点同步算法获得了104.2倍的加速;相比PCG法逐个求解方案减少了18%的迭代次数,获得了1.21倍的加速。 展开更多

关键词 Seed-PCG法 多右端项线性方程组 随机振动 GPU并行计算 列车-轨道-地基土耦合模型

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列车-轨道-地基土耦合系统三维随机振动的多GPU并行计算方法

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作者 朱志辉 杨啸 +2 位作者 李昊 徐海坤 邹有 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第5期1722-1736,共15页

针对列车-轨道-地基土耦合系统随机计算效率低的问题,本文提出了基于多GPU的列车-轨道-地基土随机振动方程的高效并行计算方法。基于OpenMP-CUDA混编技术将虚拟激励法不同频点下的多个线性方程组求解任务分配给多个GPU并行执行;在每块GP... 针对列车-轨道-地基土耦合系统随机计算效率低的问题,本文提出了基于多GPU的列车-轨道-地基土随机振动方程的高效并行计算方法。基于OpenMP-CUDA混编技术将虚拟激励法不同频点下的多个线性方程组求解任务分配给多个GPU并行执行;在每块GPU上,采用基于CUDA的预处理共轭梯度法(PCG)并行求解对称正定的等效静力平衡方程。针对耦合系统等效刚度矩阵的稀疏特性,采用行压缩(CSR)格式存储大型稀疏矩阵以节省内存空间。最终通过MATLAB-CUDA混合平台开发并行计算程序,解决了随机振动分析中多个线性方程组串行求解效率低的难题。数值算例表明,基于四GPU节点的多GPU并行算法和单GPU加速PCG算法的计算效率是串行多点同步算法(MPSA)计算效率的22.59倍和3.75倍。 展开更多

关键词 随机振动 并行计算 多GPU 三维有限元法 列车-轨道-地基土耦合模型

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层状饱和地基-轨道-列车耦合系统轨道不平顺引起的振动分析 被引量：5

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作者 巴振宁 金威 梁建文 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2015年第15期88-97,共10页

采用半解析方法研究了层状饱和地基-轨道-列车耦合系统的动力响应问题。层状饱和地基由任意水平饱和土层和下卧饱和半空间组成,轨道采用以无限长欧拉梁模拟的钢轨、连续质量块模拟的轨枕和Cosserat模型模拟的道砟组成的三层系统,列车模... 采用半解析方法研究了层状饱和地基-轨道-列车耦合系统的动力响应问题。层状饱和地基由任意水平饱和土层和下卧饱和半空间组成,轨道采用以无限长欧拉梁模拟的钢轨、连续质量块模拟的轨枕和Cosserat模型模拟的道砟组成的三层系统,列车模拟为弹簧和阻尼元件连接的多刚体系统。振动输入由钢轨的竖向不平顺提供。通过地基表面轨道中心处竖向位移与道砟位移相等实现层状饱和地基和轨道的耦合,通过在车轮与钢轨间引入Hertizian接触弹簧来实现轨道与列车的耦合,首先求得频率-波数域内解答,然后通过Fourier逆变换求得时间-空间域内振动响应。文中验证了方法的正确性,并进行了数值计算分析,研究表明钢轨不平顺引起的列车动荷载振动频率较低时,随着列车运行速度的增大地基表面位移幅值逐渐增大;振动频率较高时,列车运行速度对位移幅值峰值的影响不明显,但列车驶过后地基的振动明显增大,振动时间变长。 展开更多

关键词 层状饱和地基 地基-轨道-列车耦合系统 格林函数 轨道不平顺

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基于GPU的车辆-轨道-地基土耦合系统3D随机振动并行计算方法 被引量：2

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作者 朱志辉 夏禹涛 +1 位作者 王力东 刘禹兵 《湖南大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第7期79-88,共10页

针对轨道不平顺随机特征导致车辆-轨道-地基土耦合系统随机分析计算效率低的问题,采用虚拟激励法降低大样本分析的计算量;针对耦合系统等效刚度矩阵的稀疏特性,采用行压缩(Compressed Sparse Row,CSR)格式存储大型稀疏矩阵,采用预处理... 针对轨道不平顺随机特征导致车辆-轨道-地基土耦合系统随机分析计算效率低的问题,采用虚拟激励法降低大样本分析的计算量;针对耦合系统等效刚度矩阵的稀疏特性,采用行压缩(Compressed Sparse Row,CSR)格式存储大型稀疏矩阵,采用预处理共轭梯度法(Preconditioned Conjugate Gradient,PCG)求解对称正定的等效静力平衡方程,最后通过MATLAB-CUDA(Compute Unified Device Architecture)混合平台开发基于GPU的并行计算程序.数值算例表明:基于MATLAB-CUDA混合平台求解等效静力平衡方程的效率是串行多点同步算法的86.13倍,大大缩短了随机振动分析的总计算时间,且内存占用小、易于在个人计算机上实施;采用PCG法求解车辆-轨道-地基土耦合系统形成的大型稀疏线性方程组时,建议以加速度指标作为迭代收敛精度的控制指标;可通过选取适当的迭代收敛精度,以达到计算精度和计算效率的平衡. 展开更多

关键词 随机振动 GPU并行计算 3D有限元法 虚拟激励法 车辆-轨道-地基土耦合模型

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垂向和横向双向耦合的格林函数轨下基础建模及求解方法

5

作者 郭无极 曾志平 +2 位作者 李沛成 王卫东 李平 《中南大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第5期1795-1806,共12页

格林函数方法作为一种高效的动力学求解手段,在提升周期性结构动力学分析效率方面具有显著优势。为提升列车-轨道-轨下基础耦合动力的计算效率与精度,本文对考虑垂向和横向耦合作用的格林函数轨下基础模型的建模方法及求解方法进行研究... 格林函数方法作为一种高效的动力学求解手段,在提升周期性结构动力学分析效率方面具有显著优势。为提升列车-轨道-轨下基础耦合动力的计算效率与精度,本文对考虑垂向和横向耦合作用的格林函数轨下基础模型的建模方法及求解方法进行研究。基于格林函数的互易性、轨道结构的周期性、对称性及振动的衰减性,提出一种激励点和观察点的选择方法;同时考虑垂向和横向的耦合作用,通过求解脉冲作用下轨下基础有限元模型的响应,提出轨下基础格林函数模型的建模方法;结合列车-轨道-轨下基础耦合动力学理论,进一步提出以格林函数模型作为轨下基础的求解方法。为验证方法的准确性,在地铁常见的铺设长轨枕整体道床的圆形隧道中开展现场测试,记录实车通过时钢轨的垂向位移及隧道壁的垂向振动加速度。以测试工况为研究对象,进行列车-轨道-隧道-土体耦合动力学仿真分析。研究结果表明:与传统有限元模型相比,单纯考虑垂向耦合作用的格林函数模型计算效率提高至少87.00%,考虑垂向和横向双向耦合作用的模型效率提高至少55.08%;在实测行车条件下,钢轨最大垂向位移约为0.35 mm,由本文方法仿真计算所得钢轨最大垂向位移约为0.33 mm,相对误差小于5.72%;与实测行车条件下隧道壁振动加速度进行比较,本文方法对振源强度的计算相对误差小于8.19%。 展开更多

关键词 列车-轨道-轨下基础耦合动力学 轨下基础格林函数模型 车致振动 模型验证

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列车移动荷载作用下饱和地基的地面振动特性分析 被引量：22

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作者 高广运 李宁 +1 位作者 何俊锋 高盟 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2011年第6期86-92,共7页

基于饱和土的Biot波动方程和边界条件,利用Fourier变换和Galerkin法推导出频域内的u-w格式的2.5维有限元方程。把轨道视为饱和地基上的Euler梁,通过沿轨道方向的波数变换将三维空间问题降为平面应变问题。通过解方程首先获得饱和土体频... 基于饱和土的Biot波动方程和边界条件,利用Fourier变换和Galerkin法推导出频域内的u-w格式的2.5维有限元方程。把轨道视为饱和地基上的Euler梁,通过沿轨道方向的波数变换将三维空间问题降为平面应变问题。通过解方程首先获得饱和土体频域-波数域的位移解答,然后通过快速Fourier逆变换求得三维时域-空间域内的位移解答。通过计算实例验证了计算模型。建立轨道-地基模型,对饱和地基上列车运行引起的地面振动进行了分析,详细讨论了动力渗透系数、孔隙率、土骨架密度和剪切波速等参数对地面振动传播与衰减的影响规律分析。研究表明:在垂直轨道方向,随着与轨道中心距离增加,加速度幅值和主频迅速衰减;饱和土体动力渗透系数、孔隙率、剪切波速和土骨架密度对地表位移幅值均有较大的影响。 展开更多

关键词 列车-轨道-地基模型 饱和土 u-w格式2.5维有限元 GALERKIN法 地面振动

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饱和地基上列车运行引起的地面振动特性分析 被引量：8

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作者 高广运 何俊锋 +1 位作者 李志毅 赵元一 《振动工程学报》 EI CSCD 北大核心 2010年第2期179-187,共9页

从饱和土Biot波动方程出发,基于二次形函数薄层法,将圆柱坐标系下饱和土的Biot轴对称波动方程在竖向进行离散,沿切向及轴向坐标分别进行Fourier级数分解和Hankel变换,得到饱和地基频域-波数域中的位移基本解,再利用Hankel逆变换和Fourie... 从饱和土Biot波动方程出发,基于二次形函数薄层法,将圆柱坐标系下饱和土的Biot轴对称波动方程在竖向进行离散,沿切向及轴向坐标分别进行Fourier级数分解和Hankel变换,得到饱和地基频域-波数域中的位移基本解,再利用Hankel逆变换和Fourier综合,求得频域柱坐标系下的位移表达。结合移动列车-轨道-地基的振动模型,对饱和地基上列车运行引起的地面振动进行了分析,讨论了动力渗透系数、孔隙率和动力流体粘滞系数等参数对地面振动传播与衰减的影响规律,并与弹性地基的振动衰减进行了比较。结果表明:在不同列车运行速度下,饱和地基和弹性地基的竖向位移振动响应差异较大;饱和土体的动力渗透系数、孔隙率和孔隙流体动力粘滞系数是影响地面振动的主要参数。 展开更多

关键词 饱和土 地面振动 列车-轨道-地基振动模型 动力GREEN函数 薄层法

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轨道纵向刚度变化对快速列车轮轨受力的影响 被引量：4

8

作者 刘富 练松良 《同济大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2001年第11期1276-1281,共6页

由于轨道刚度是铁路轨道设计的重要参数 ,直接影响到列车的运行安全和平稳性 ,因此运用车辆 -轨道垂向系统统一模型和新型预测 -校正数值积分法 ,对铁路快速列车以不同速度通过因道床和轨下垫层刚度变化而引起的动力不平顺轨道段时车辆... 由于轨道刚度是铁路轨道设计的重要参数 ,直接影响到列车的运行安全和平稳性 ,因此运用车辆 -轨道垂向系统统一模型和新型预测 -校正数值积分法 ,对铁路快速列车以不同速度通过因道床和轨下垫层刚度变化而引起的动力不平顺轨道段时车辆和轨道的响应进行了仿真计算 ,进一步分析了轨道纵向刚度变化对铁路快速列车轮轨受力的影响 . 展开更多

关键词 铁路轨道 纵向刚度变化 快速列车 轮轨力 车辆-轨道垂向耦合统一模型预测 校正数值积分法

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层间离缝对市域铁路新型装配式轨道力学性能影响

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作者 任西冲 刘珀全 +2 位作者 李秋义 杨荣山 林航 《中国铁路》 北大核心 2024年第9期144-152,共9页

针对市域铁路路基地段新型装配式轨道层间离缝病害,建立可考虑轨道结构各部件复杂相互作用关系的列车-轨道-路基耦合分析模型,从静力和动力的角度研究自密实混凝土层与底座板之间存在不同离缝工况时对轨道结构力学响应。研究结果表明:... 针对市域铁路路基地段新型装配式轨道层间离缝病害,建立可考虑轨道结构各部件复杂相互作用关系的列车-轨道-路基耦合分析模型,从静力和动力的角度研究自密实混凝土层与底座板之间存在不同离缝工况时对轨道结构力学响应。研究结果表明:当离缝长度未超过0.85 m时,轮轨垂向力、列车垂向加速度等轨道结构的动力响应指标变化较为平缓,离缝长度一旦超过0.85 m,各指标的变化量迅速增加,其中对列车垂向加速度、轨道板的动力效应影响最大。当离缝宽度未发展到钢轨下方时,各指标变化量很小,一旦超过钢轨下方,各项指标呈现指数增长变化趋势。离缝的存在严重影响了车辆运行的平稳性和安全性以及轨道结构的耐久性和整体性,需要及时进行养护维修。 展开更多

关键词 市域铁路 力学性能 数值计算 层间离缝 装配式轨道结构 列车-轨道-路基耦合模型

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车桥耦合振动的拱桥吊杆应力冲击系数分析 被引量：15

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作者 朱志辉 罗思慧 +3 位作者 张磊 王力东 余志武 孟鑫 《振动．测试与诊断》 EI CSCD 北大核心 2019年第6期1169-1176,1356,1357,共10页

基于车桥耦合振动理论及地基微波雷达现场试验,研究了高速铁路拱桥的吊杆应力冲击系数。列车和轨道-桥梁模型分别采用刚体动力学和有限元方法建立,两子系统间通过轮轨线性Hertz接触理论实现耦合。采用地基微波雷达对吊杆两端位移进行测... 基于车桥耦合振动理论及地基微波雷达现场试验,研究了高速铁路拱桥的吊杆应力冲击系数。列车和轨道-桥梁模型分别采用刚体动力学和有限元方法建立,两子系统间通过轮轨线性Hertz接触理论实现耦合。采用地基微波雷达对吊杆两端位移进行测试,分析得到桥梁动力特性、吊杆应力时程及其冲击系数。对比地基微波雷达试验数据,验证理论模型的正确性,并基于该模型分析车速、单双线行驶和轨道不平顺对吊杆应力冲击系数的影响规律。结果表明:吊杆应力冲击系数随车速的增加而增大,当车速为300km/h时车桥共振导致吊杆应力冲击系数显著增大;德国低干扰轨道谱样本对吊杆应力冲击系数影响较小,但随着轨道平顺性的劣化,吊杆应力冲击系数显著增大。 展开更多

关键词 列车-轨道-桥梁耦合系统 地基微波雷达 系杆拱桥 吊杆 冲击系数

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广州轨道交通三号线高速行驶条件下对安全限界的影响研究 被引量：5

11

作者 万传风 魏庆朝 +1 位作者 曾学贵 刘维宁 《中国安全科学学报》 CAS CSCD 2003年第2期40-42,共3页

给出了轨道交通车辆横向偏移量的计算方法 ,并应用列车 -线路动力耦合模型 ,分析了广州地铁三号线的安全限界变化问题。确定了当前按 80km/h行车速度设计的建筑限界能满足 13 0km/h行车速度的要求 。

关键词 安全限界 轨道交通 列车-线路动力耦合模型

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大型机械大修线路后列车开通速度确定

12

作者 李新国 余儿忠 胡文 《同济大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2003年第2期178-181,共4页

运用车辆 -轨道耦合模型 ,对大型养路机械大修后列车以不同运行速度开通时的各项动力安全指标进行了计算和分析 ,并在现场对不同速度运行列车的脱轨系数、偏载率和轨距扩张进行了实际测试 。

关键词 线路大修 养路机械 列车开通速度 车辆-轨道耦合模型 动力安全指标 脱轨系数

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基于随机场理论的下穿盾构隧道施工变形条件下列车动态响应 被引量：8

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作者 唐钱龙 彭立敏 +1 位作者 邓锷 邹洋 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第3期1006-1026,共21页

在以往的路基段铁路行车安全研究中,地基土的物理力学参数常被考虑为确定性的参数。为探究下穿地铁盾构隧道周围土层的随机场特征对地表既有铁路行车安全的影响规律,建立列车-轨道-盾构隧道-地基土耦合系统分析模型。基于随机场理论对... 在以往的路基段铁路行车安全研究中,地基土的物理力学参数常被考虑为确定性的参数。为探究下穿地铁盾构隧道周围土层的随机场特征对地表既有铁路行车安全的影响规律,建立列车-轨道-盾构隧道-地基土耦合系统分析模型。基于随机场理论对地基土的物理力学参数进行随机赋值,并获得轮重减载率和车体加速度等车体动态响应指标的概率密度演化信息。基于概率密度演化理论开展下穿盾构隧道施工变形条件下地表运行列车动态响应分析。结果表明:盾构施工段范围内的地表沉降分布近似呈正态分布,地表沉降均值与标准差的最大值出现在盾构隧道中心线位置,而轮重减载率最大值出现在地表沉降最大值两侧曲线的下降段。随着车速的提高,车体垂向加速度概率密度等高线的分布宽度逐渐增大,当加速度上限曲线取最大值时对应的概率密度分布仍近似呈正态分布。当车速达到300 km/h时,轮重减载率的分布范围超过0.8的限值要求,而在300 km/h以下的行车速度条件下,车体加速度均满足规范要求的1.3 m/s^(2)的要求。为满足三倍标准差的99.74%的行车安全保证率,建议该区域的行车速度不应超过250 km/h。 展开更多

关键词 下穿盾构隧道 概率密度演化 随机场 列车-轨道-地基土耦合系统 动态响应

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土层参数随机性对高速铁路周围场地土振动传递的影响

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作者 李东伟 曹艳梅 陈斌 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2022年第14期121-126,共6页

为探究场地土层参数随机分布对高速铁路周围场地土振动传递的影响,分别考虑了土层剪切波速、材料阻尼比以及二者双随机变量下的3种场地土参数随机分布,并基于Toro统计模型采用Monte Carlo方法分别模拟200组工况,输入建立的高速列车-轨道... 为探究场地土层参数随机分布对高速铁路周围场地土振动传递的影响,分别考虑了土层剪切波速、材料阻尼比以及二者双随机变量下的3种场地土参数随机分布,并基于Toro统计模型采用Monte Carlo方法分别模拟200组工况,输入建立的高速列车-轨道-场地土耦合系统模型中计算高速列车经过时场地土表面的振动响应。并将随机振动响应1/3倍频程振级、Z振级及其95%置信水平的置信区间与确定性土参数的振动响应进行比较,探究土参数随机性对高速铁路周围场地土振动传递的影响,进而采用随机振动响应标准差进行土参数随机分布的敏感性分析。研究结果表明:土参数随机性对高速铁路周围场地土振动传递的影响较大,剪切波波速单随机变量对场地土振动响应各频带1/3振级均有较大影响,材料阻尼比单随机变量对场地土振动响应的低频影响较小,高频影响较大。铁路交通环境振动评估及预测时建议考虑土层参数随机分布对其产生的影响。 展开更多

关键词 土层参数随机分布 列车-轨道-场地土耦合模型 1/3倍频程振级 Z振级 置信区间 场地土振动传递

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埋地管线下方土体流失对管线受力变形的影响研究 被引量：1

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作者 梁渭溪 雍睿 李朝旺 《人民长江》 北大核心 2021年第8期186-193,共8页

埋地管线长期使用中会发生渗漏、管周土体不均匀沉降等问题,使得管线受力平衡状态被打破,在土体自重荷载和地表荷载的共同作用下容易引起邻近管线的破坏。为了分析管线的受力和变形,采用角点法和Winkler弹性地基梁理论,构建管-土耦合模... 埋地管线长期使用中会发生渗漏、管周土体不均匀沉降等问题,使得管线受力平衡状态被打破,在土体自重荷载和地表荷载的共同作用下容易引起邻近管线的破坏。为了分析管线的受力和变形,采用角点法和Winkler弹性地基梁理论,构建管-土耦合模型,推导出管线的受力变形方程。基于ABAQUS有限元软件模拟管-土耦合模型,对比分析数值模拟和理论计算的结果,以验证管线受力变形方程的有效性。结果表明:①基于Winkler弹性地基梁理论的管-土耦合作用模型可以求得有效的管线受力变形方程,其理论解与数值模拟解相差仅为3.31%~3.43%。②在地表荷载作用下,沿远离土体流失区中心方向,位移逐渐变小,剪力逐渐增大,且在土体流失区边缘附近达到峰值后慢慢减小,出现反弯剪力最后趋于零,而弯矩逐渐增大达到峰值后慢慢减小。③当无地表荷载作用时,管线的受力变形比有地表荷载作用时小17.32%~20.77%。所提出的管线受力变形方程能够正确反映上覆荷载作用下管线受力的基本特征,可为工程中管线受力变化控制提供参考依据。 展开更多

关键词 埋地管线 受力变形 管-土耦合模型 角点法 Winkler弹性地基梁理论

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