车辆系统动力学软件SIMPACK课程论文.doc

1 引言近几年，我国加重铁路建设，客货车速度提升，线路日趋复杂，轮轨系统中的振动加剧，与动力学相关的问题便越来越突出，其舒适性及安全性越来越受到人们的关注，专家学者们通过应用动力学的原理和分析方法，研究解决轮轨系统在线形与结构设计、优化系统的动力学特性，延长结构的使用寿命。1.1 车辆-轨道系统动力学1.1.1 研究内容车辆-轨道系统动力学研究的主要内容是以高速轮轨相互作用模型为基础，以传统的车辆系统动力学为研究核心，在空间上考虑与线路之间的耦合振动关系，即研究轮轨的相互作用，此时轮轨的相互作用的理论基础是轮轨接触力学和轮轨蠕滑理论，其研究方向是考虑车辆与轨道耦合振动下的轮轨动态相互作用，因此涉及了轮轨相互作用过程中的黏着、疲劳、摩擦磨损和波浪型磨耗等因素对轮轨接触力学的影响，即需要考虑高速动车组在整个服役环境下的动力学性能。在时间上考虑车辆运用过程各种磨耗、磨损所造成动车组系统参数变化对动力学性能的影响1。1.2 国内外研究进展国内外对车辆-轨道的研究经历了一个由静力到动力、由双层到多层、由单一的轨道研究到车辆-轨道系统耦合研究的过程。20世纪70年代，轮轨系统动力学模型的研究进入了快速发展阶段。D.Lyon和H.H.Jenkins等根据英国Derby铁路技术研究中心定义了轮轨动力冲击过程中的高频作用力和中低频响应力研究成果，建立了轮轨动力分析的基本模型2。1973年，日本学者Sato Y建立了著名的Sato半车模型，用以研究轮轨系统中的各种振动特性。1979年，Newton等以Timoshenko梁模型研究了车轮踏面擦伤对轨道的动力影响，计算了钢轨的动应力。1982年，Clark R.A.等采用弹性点支承梁模型模拟轨道，分析了车辆在波磨钢轨上运行时的动力作用问题。英国的Grassie S.L.首次将轮轨接触简化为线性弹簧，用于联系车轮与轨道的垂向振动，从而形成了车辆-轨道系统耦合振动模型及方法。1994年，Fermer和Nielsen运用转向架-轨道相互作用模型分析比较了弹性车轮与刚性车轮的轮轨垂向动力作用问题。2001年，Dietz等采用多刚体车辆与有限元轨道模型相结合，研究了车辆与轨道相互作用问题。Szolc等采用详细的转向架-轨道模型，计算了中频域的轮轨作用力，并分析了轮轨接触域的应力场与温度场。20世纪90年代以来，随着计算机技术的飞速发展，大大促进了车辆-轨道动力学的研究。翟婉明提出并开展了“车辆-轨道耦合动力学”的研究3，建立了车辆-轨道空间耦合振动模型，将其应用于高速重载铁路的轮轨动力作用分析中。刘学毅应用了轮轨系统空间耦合振动分析模型，对轮轨系统动力学、高速重载轨道结构、轨道变形和失效规律及钢轨波磨方面作了深入研究。王平建立了较完整的车辆-道岔空间耦合振动分析理论，对岔区轮轨耦合、过岔速度、岔区耦合振动因素作了较全面的分析。李成辉应用了车辆-轨道竖向耦合振动频域分析模型，对车辆-轨道的频域振动特性进行了分析研究，将钢轨垫层刚度、道床刚度、道床及路基的参振质量、轨枕间距等处理为随机变量引入车辆-轨道模型中。金玉云采用有限元方法建立了机车车辆-轨道耦合动力学模型，分析了轮对和轨道各部件在列车通过时的应力和变形。蔡成标建立了高速列车-板式轨道-桥梁、高速列车-长轨枕埋入式无柞轨道-桥梁的两种车线桥系统垂向耦合振动模型，分析了列车分别以200km/h、250km/h、300km/h通过高架桥上板式轨道及长轨枕埋入式无柞轨道时车辆、轨道及桥梁的动力学性能4。1.3 SIMPACK动力学软件SIMPACK是1985年由德国宇航局(DLR)开发的高端多体系统动力学仿真软件。应用范围包括铁路、公路、控制的集系统建模，运动学仿真及分析计算。工程应用中，首先利用SIMPACK基本模块建立机械系统的动力学模型，包含铰链约束、各种外力或相互作用力，并自动形成其动力学方程，然后利用其强大的求解器，以各种求解方式如时域积分来得到系统的动态特性，或频域分析得到系统的固有模态及频率，快速预测复杂机械系统整机运动/动力学性能和系统各部件所受载荷，所以说SIMPACK软件可以被应用到产品设计、开发、优化的任何环节5。SIMPACK轮/轨模型的特点为:在轮/轨接触斑上的力，也就是车轮的法向力和导向力可以通过将轮和刚轨看成是运动学约束，而不是传统的接触弹簧一阻尼系统来计算得到，这样可以考虑轮/轨之间的高频接触振动。而这种高频成份的振动会大大降低时域内的积分步长，但对在给定精度内的动力学性能影响不大。因此，“运动学方法”可以大大的提高计算速度，从而使SIMPACK能够满足行业应用的需要，并能够达到期望的水平。SIMPACK软件所采用的完全的递归方法以及在相对坐标系中建立运动方程的算法，使其在处理轮/轨接触时建立最小数目的约束方程。另外也可选择利用传统的接触弹簧一阻尼模型取代运动学约束模型，来建立轮/轨之间的接触关系。SIMPACK提供了许多不同的模拟轮/轨之间的摩擦力的方法。最常用的是Kalker简化的非线性滚动接触理论，可以在计算速度和精度方面得到较好的统一。2 用SIMPACK建立动车模型2.1 模型建立高速动车动力学模型可以被简单的拟成一个包括车体、两个构架和四个轮对的多刚体系统，任意一个刚体都有六个自由度，本文中，车体、构架和车轮有浮沉、点头、伸缩、摇头、侧滚和侧摆6个自由度，整个系统具有42个自由度。应用SIMPACK的wheel/rail模块，建立动车组系统多体动力学模型，如图2-1所示。在动车模型中，车体、构架、轮对等的质量和转动惯量等属性通过Body来定义，所有零部件之间的运动连接形式用铰接Joint和约束constraint来定义，同时定义各个零件的自由度，一系二系弹簧等以力元件Force的形式来定义。图2-1 动车动力学模型图轮轨接触关系如图2-2，其中，车轮型面选取S1002，轨道型面选取UIC_60，从图中可以看出，轮轨型面配合良好，轮轨接触点一般不超过钢轨中线位置，接触点分布均匀。图2-2 轮轨接触关系2.2 参数设定2.2.1 轮对参数轮对质量：1640 kg；轮对侧滚转动惯量：725 kgm；轮对点头转动惯量：104 kgm；轮对摇头转动惯量：725 kgm。2.2.2 转向架构架参数构架质量：3388 kg；构架侧滚转动惯量：1378 kgm；构架点头转动惯量：1695 kgm；构架摇头转动惯量：2844kgm。2.2.3 车体参数车体质量：39300 kg；车体侧滚转动惯量：47300kgm；车体点头转动惯量：1412100kgm；车体摇头转动惯量：1413400kgm。2.2.4 一、二系悬挂参数一系悬挂：Kpx=4.55e6 N/m，Kpy=3.6e6 N/m，Kpz=0.9e6 N/m，Csx=0 Ns/m ，Csy=0，Csz=15000 Ns/m二系悬挂：Ksx=150000 N/m，Ksy=150000 N/m，Ksz=480000 N/m，Csx=64700 Ns/m，Csy=64700 Ns/m，Csz=60000 Ns/m2.2.5 牵引杆参数牵引杆关节刚度：K=25.0e6N/m，K=18000N/m，K=18000 N/m；2.2.6 工况设置直线轨道速度：分为三种工况100 km/h、150 km/h、200 km/h横向、垂向激励：曲线轨道直线段长度300m，过渡曲线长度150m，总轨道长度1000m圆曲线半径：1000m相应外轨超高： 95mm3 动力性能评定3.1 安全性为了鉴别车辆脱轨的安全性，分析车辆脱轨时受力情况，并找出临界条件，评定脱轨的指标很多，目前我国车辆部门主要采用脱轨系数和轮重减载率两项指标3.1.1 脱轨系数脱轨系数安全指标危险限度 (3-1) 允许限度 (3-2) 作用于轮缘上的侧向力 作用于车轮上的垂向力通过动车分别以100km/h、150 km/h、200 km/h的速度在圆曲线半径为1000m曲线上运行建立模型，计算出前后转向架的八个车轮的脱轨系数，得到脱轨系数图像如下图3-1。(a) 100km/h(b) 150km/h(c) 200km/h图3-1 脱轨系数取车轮脱轨系数最大值作为动车脱轨系数，列表3.1如下表3.1 不同速度通过固定曲线半径的脱轨系数速度（km/h）曲线超高(mm)脱轨系数安全性100950.0564允许150950.1858允许200950.339允许由表可得，高速动车脱轨系数的大小与动车速度的大小有关，在一定曲线半径下，随着速度的增大，动车脱轨系数增大，即安全性能越差。3.1.2 轮重减载率影响脱轨的主要参数是车轮的垂向力和横向力，并且这两个力是同时存在的，产生脱轨的原因由脱轨系数可以看出是由于横向力增大的结果，但是在实际应用中发现有时会出现在横向力并不大，但轮重严重减载的情况下也会出现脱轨现象，也就是说在轮重减载量较大的情况下，对于减载侧车轮即使横向力很小也会发生脱轨现象，这一般会在车辆低速运行，通过小曲线半径时出现。目前我国采用的轮重减载率安全指标危险限度 (3-3)允许限度 (3-4)通过动车分别以100km/h、150 km/h、200 km/h的速度在圆曲线半径为1000m曲线上运行建立模型，计算出前转向架和后转向架的四个车轮的轮重减载率，得到轮重减载率图像如下图3-2所示。 前转向架 后转向架 (a) 100km/h 前转向架 后转向架(b) 150km/h 前转向架 后转向架(c) 200km/h图3-2 轮重减载率取车轮轮重减载率最大值作为动车轮重减载率，列表3.2如下表3.2 不同速度通过固定曲线半径的轮重减载率速度(km/h)曲线超高(mm)轮重减载率安全性100950.0789允许150950.3572允许200950.759超出危险限度从表中结果可得，高速动车轮重减载率的大小与动车速度的大小有关，当动车通过曲线时，随着速度的增大，轮重减载率越大，动车运行安全性越差。3.2 平稳性车辆在运行过程中产生各种振动，对于客车来说，振动影响了旅客乘坐的舒适性，人处于振动环境中，不仅会产生疲劳，而且还可能发生于人体内部器官及全身组织与外界振动共振的可能。对于货车振动影响其装运货物的完整性。因此作为运输工具的车辆应当具有良好的平稳性。评价铁道车辆舒适性最直接的指标就是车体振动加速度，为了更准确的对舒适度进行评价，不仅要考虑加速度的大小，而且要考虑加速度振动频率的影响。考虑频率的车体加速度的评定舒适度，世界各国有着不同的评价指标，我们采用Sperling指标6： （35）其中，a振动加速度(cm/s)f振动频率(Hz) F(f)与振动有关的修正系数，垂向与横向值是不同的。垂直振动 F（f）= （36）横向振动 F（f）= （37）表 41 车辆运行平稳性指标与等级平稳性等级评 定平稳性指标客 车机 车货 车1优2.52.753.52良好2.52.752.753.13.54.03合格2.753.03.13.454.04.25通过动车分别以100km/h、150km/h、200km/h速度在1000m轨道上运行建立模型，给予横向和垂向正弦函数激励，如图3-3，经过36s、24s、18s时间积分计算，通过傅里叶变换后，得出不同速度下，车体振动加速度与频率的函数关系图像，如图3-4所示。(a) 横向激励(b) 垂向激励图3-3 轨道激励 横向振动 垂向振动(a) 100km/h 横向振动 垂向振动(b) 150km/h 横向振动 垂向振动(c) 200km/h图3-4振动图像计算求得值，列表4-2如下表4-2 动车运行平稳性速度(km/h)横向a(cm/s2)横向f（Hz）垂向a(cm/s2)垂向f（Hz）横向W垂向W运行品质舒适度10033.38.8315.38.832.551.923满意明显感觉1501413.333.513.31.7392.152满意更明显，但没有不愉快2007.7317.733.617.71.3361.977好明显感觉通过对比表中数据可以得出，高速动车运行的平稳性与速度有一定的关系。4 结论本文应用SIMPACK动力学软件通过对高速动车结构的拓扑结构分析，建立了动力学模型，并计算了脱轨系数、轮重减载率及平稳性系数，通过对上述模型的动力学分析，我们获得以下结论：(1) 高速动车脱轨系数的大小与动车速度的大小有关，在一定曲线半径下，随着速度的增大，动车脱轨系数增大，即安全性能越差。(2) 高速动车轮重减载率的大小与动车速度的大小有关，当动车通过曲线时，随着速度的增大，轮重减载率越大，动车运行安全性越差。(3) 高速动车运行的平稳性与速度有一定的关系。5 展望随着中国铁路四横四纵主干线以及其他城际交通线的进一步发展,铁路系统对动力学分析的需求会进一步提升，而多体动力学软件SIMPACK则能充分满足这一方面的计算以及分析需求，为祖国的铁路现代化事业做出贡献。参考文献1 刘学毅,王 平.车辆-轨道-路基系统动力学M.成都.西南交通大学出版社,2010.2 Namura A,