風(fēng)荷載計(jì)算過程案例平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)作為自然風(fēng)的兩大組成部分。平均風(fēng)則與列車的穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)力相關(guān)，即靜風(fēng)力;脈動(dòng)風(fēng)和列車的非穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)力相關(guān)，即抖振風(fēng)力。作用在列車上的風(fēng)荷載由升力FL、阻力FD以及力矩M三個(gè)分量組成，每個(gè)分量又包括由平均風(fēng)與列車風(fēng)引起的靜風(fēng)力、脈動(dòng)風(fēng)引起的抖振風(fēng)力組成。1.1車輛靜風(fēng)力由于風(fēng)的穩(wěn)態(tài)性質(zhì)，車輛在運(yùn)行中受到靜風(fēng)力的影響，在列車風(fēng)與平均風(fēng)的雙重作用下形成靜風(fēng)力作用于列車表面。作用在車體表面形心處的靜風(fēng)力其表達(dá)式為：(1.1)式中：分別表示靜風(fēng)力作用下，列車形心處產(chǎn)生的阻力、升力、扭轉(zhuǎn)力矩；為空氣密度（取1.225kg/m3）[20];H為車輛高度；A表示列車車體的迎風(fēng)面積(忽略轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及輪對(duì)的影響)；CD、CL、CM分別為阻力、升力及扭轉(zhuǎn)力矩對(duì)應(yīng)的系數(shù)（均是關(guān)于風(fēng)向搖頭角ψ的函數(shù)）。列車運(yùn)行中的阻力、升力和扭轉(zhuǎn)力矩分別用字母FD、FL、M表示,結(jié)合式(3.3)、(3.4)可得：(1.2)1.2車輛抖振風(fēng)力由于風(fēng)的非穩(wěn)態(tài)性質(zhì)，車輛在運(yùn)行過程中受到抖振風(fēng)力的影響，為計(jì)算由于脈動(dòng)風(fēng)而引起的列車抖振風(fēng)力，模擬沿列車方向等間隔的多個(gè)模擬點(diǎn)處的抖振風(fēng)力，如圖1.1所示作用在列車上的阻力、升力以及扭轉(zhuǎn)力矩。圖1.1列車上的風(fēng)力由文獻(xiàn)[1]指出，在橫風(fēng)作用下運(yùn)行的列車，其所受風(fēng)荷載的大小于列車各節(jié)所處位置相關(guān)，即中間車大于頭車。假設(shè)不考慮頭車、中間車及尾車的區(qū)別，將列車均當(dāng)作中間車，則如圖1.1，假設(shè)用U表示橫向平均風(fēng)速，w及u分別表示豎向和橫向脈動(dòng)風(fēng)速，則列車的瞬時(shí)風(fēng)速V和風(fēng)攻角可以表示為：(1.3)(1.4)假設(shè)列車沿軌道運(yùn)行速度VT，那么，將會(huì)有沿著向后的風(fēng)速，橫風(fēng)相對(duì)于列車沿軌道運(yùn)行方向的速度VR及風(fēng)向搖頭角φ可以表示為：(1.5)(1.6)多數(shù)情況下，橫向脈動(dòng)風(fēng)速u及豎向脈動(dòng)風(fēng)速w相對(duì)于平均風(fēng)速u都比較小，可以忽略不計(jì)，因此，化簡(jiǎn)式(1.7、1.8)可得：(1.7)(1.8)基于靜態(tài)理論，作用在列車上的力可以表示為：(1.9)式中，F(xiàn)s、FL及M分別表示列車的阻力、升力以及繞車體質(zhì)量中心的扭轉(zhuǎn)力矩；用ρ表示空氣密度；H為列車的高度；A表示參考面積（,即列車長(zhǎng)乘高，忽略轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及輪對(duì)的影響）；CFs、及CM則表示與阻力、升力和扭轉(zhuǎn)力矩有關(guān)的系數(shù)(均是有關(guān)風(fēng)攻角和風(fēng)向搖頭角φ的函數(shù))。對(duì)于三個(gè)有關(guān)阻力、升力及扭轉(zhuǎn)力矩的系數(shù)，假如忽略搖頭力矩，則可用Taylor技術(shù)形式進(jìn)行展開：即(1.10)將式(1.9)、(1.10)、(1.12)帶入(1.11)中，可得列車車體上各力的表達(dá)式為：(1.11)對(duì)于上式，,第一項(xiàng)為靜風(fēng)力，后兩項(xiàng)則為列車抖振風(fēng)力。用靜態(tài)理論來(lái)表示抖振風(fēng)力而引起一定的誤差，因此引入氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)來(lái)減小誤差，從而抖振風(fēng)力可表示為：(1.12)其中，、、、、、分別表示脈動(dòng)風(fēng)速和抖振風(fēng)力之間的傳遞函數(shù)；n表示頻率，單位Hz；氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)即為該傳遞函數(shù)的絕對(duì)幅值。1.3不同車型的列車風(fēng)荷載基于上述關(guān)于列車抖振風(fēng)力計(jì)算過程，選擇不同類型列車，同樣借助Matlab編程語(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)抖振風(fēng)力計(jì)算程序化，求得列車風(fēng)荷載大小。假設(shè)列車運(yùn)行速度為120km/h，平均風(fēng)速取10m/s，基于22型客車、25B型車以及CRH380A型動(dòng)車組等不同車型計(jì)算其抖振風(fēng)力。(1)22型車，硬座車，其車體上第10個(gè)模擬點(diǎn)抖振風(fēng)力如圖1.2所示：（a）10號(hào)模擬點(diǎn)的橫向力和垂向力(b)10號(hào)模擬點(diǎn)扭轉(zhuǎn)力矩圖1.222型車列車抖振風(fēng)力(2)25B型硬臥客車，其車體上10號(hào)模擬點(diǎn)抖振風(fēng)力如圖1.3所示：(a)25B型車10號(hào)模擬點(diǎn)橫向力和垂向力(b)25B型車10號(hào)模擬點(diǎn)扭轉(zhuǎn)力矩圖1.325B型車列車抖振風(fēng)力(3)CRH380A