采用随机振动的虚拟激励法提升车体结构设计能力

车体随机振动问题是中国高速列车设计中的一个关键技术。高速列车车体随机振动的计算分析（尤其是其功率谱计算）在高速列车的动力计算中占据着核心地位。但由于传统的随机振动计算方法过程复杂且效率很低，通常是根据轨道谱或实测资料而先形成一个或若干个轨道不平度的样本曲线，通过逐步积分法计算结构动力响应的时间历程；然后通过统计分析的方法计算结构动力响应功率谱密度的近似解，进而获得结构可靠性，舒适性等各种指标，应用于设计之中。这样的计算过程是十分耗时费力的。特别是对于高速列车而言，随机振动的高频分量格外重要，因此关切的频带很宽，势必采用很小的时间积分步长和更多的计算样本，上述数值计算手段变得尤其繁重艰难。

我系林家浩教授及其课题组基于虚拟激励法建立有效、可靠的全三维车体随机振动分析理论与仿真技术，进行了《科技支撑计划高速列车车体技术》子课题——《采用随机振动的虚拟激励法提升车体结构设计能力》项目的研究（2009 -2012，250万元），为提升中国高速列车车体结构设计能力提供有力支撑。

本项研究将采用完全由我国科研人员自主建立的随机振动虚拟激励法进行。它比传统的随机振动算法提高计算效率达2-4个数量级，而且是随机振动微分方程的精确解答。具有很高的计算可靠性。目前在国内外可以查阅到的资料中，凡超过1000自由度的结构随机振动计算，都是借助于虚拟激励法实现的。迄今在中国已经有数以百计的专家教授（包括十多位两院院士）在土木、水利、汽车、海洋平台、磁浮列车等多个工程领域放弃了对传统随机振动算法的应用，纷纷改为应用虚拟激励法而取得突破性进展。但是在铁路列车研究设计领域，虚拟激励法的应用还几乎没有（仅大连理工大学林家浩教授指导研究生做了一些预研，发表了一些论文）。

应用这一国际领先的方法于高速列车动力分析，这在国内外都将是首次尝试，具有重要的理论和工程实际意义。众所瞩目的随机疲劳分析，也离不开这样高水平的随机振动计算。

动力学与控制研究室

2009年11月3日