CN101051393A - 一种铁道机车车辆轮轨动态接触的可视化仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁道机车车辆轮轨动态接触的可视化仿真方法，先构建平衡位置处左右侧车轮及钢轨的截面模型，利用车辆—轨道耦合动力学计算方法，计算出列车行驶时车轮垂向、横向、摇头、侧滚、旋转5个自由度的位移，并将其叠加到左右侧车轮；同时计算出左右侧钢轨垂向、横向、扭转3个自由度的位移和线路不平顺所产生的钢轨偏移，将该位移及偏移叠加到钢轨接触截面模型的平衡位置；最后进行装配，将轮轨动态空间接触关系进行二维可视化仿真再现。该方法能综合模拟列车在线路上行驶时，轮轨接触的各种状态，包括轮轨相互脱离状态，集成性好；并能将轮轨接触的动态状态在三维场景中进行二维可视化显示，直观、形象、简单方便，符合人们的视角习惯。
Description
技术领域
本发明涉及可视化仿真、计算软件数据后处理、仿真仪器开发领域，具体地说，是一种铁路机车车辆轮轨动态相互作用可视化方法。
背景技术
计算机仿真技术的发展，尤其是计算机图形可视化技术的迅速发展，为车辆—轨道耦合动力学仿真分析系统的完善和提高提供了强有力的技术支持。在以往的车辆一轨道耦合动力学和传统的车辆动力学仿真中，大多集中在模型的数值仿真方面，即只关心数值计算结果而忽略了结果的显示与直观判断，而且多以计算模块的形式出现，系统的集成性和综合性稍差。运用计算机图形可视技术，可以建立一个综合模拟整车动态运行的计算机仿真平台，将车辆与轨道各部件的几何关系及其动态变化特性与耦合动力学计算结果有机地结合起来，同时建立形象直观的可视化输入、输出界面，从而实现列车与线路系统的无风险动力学仿真试验，进行系统安全性评估，参数设计与优化研究等。这一工作将使我国铁路动力学仿真技术跃上一个新的台阶，使之与国际通用软件如ADMAS/RAIL、SIMPACK等接轨，也是21世纪动力学仿真研究的一大趋势。
轮轨关系是研究机车车辆—轨道耦合动力学的基础，轮轨之间的几何约束，是轮轨关系的一项重要内容，在用计算机进行动态轮轨关系可视化仿真时，尽管现有的轮轨关系三维显示含有丰富的信息，但是由于在观察轮轨接触关系时，我们往往关注的是轮轨接触点的时程变化规律，在三维显示中，视点变化计算复杂、且不易控制，尤其是无法很好地找到一个能反映出所有现象的视点，例如，一些现象是转瞬即逝的，为了捕捉这些现象，需要调整视点，但往往无法观察到其它一些更为普遍的现象。最后，视点变化是人为控制的，对于变化频率极高的轮轨接触关系，手动控制视点变化太慢，许多需要观察的细节往往不易观察到。
因此，研究一个更加符合实际的二维轮轨动态可视化仿真计算机软硬件平台，对轮轨动态相互作用及列车脱轨研究，特别是再现列车脱轨动态过程，具有十分重要的理论价值和工程实际意义。
发明内容
本发明的目的就是提供一种铁道机车车辆轮轨动态接触的可视化仿真方法，该方法能综合模拟列车在线路上行驶时，轮轨接触的各种状态，集成性好；并能将列车轮轨接触的动态状态在三维场景中进行二维可视化显示，直观、形象、简单方便，符合人们的视角习惯。
本发明解决其技术问题，所采用的技术方案是：一种列车与线路系统动态性能综合仿真方法，其步骤是：
a、从列车模型库和线路数据库中获取选定轮、轨截面数据，确定轮、轨的平衡位置，并在平衡位置处创建轮、轨接触截面的平面模型；
b、初始化仿真场景，并在其中配置光源；
c、使用车辆—轨道耦合系统动力学计算方法，算出当前时刻列车车轮的振动位移数据及当前时刻与列车车轮接触位置的钢轨截面的振动位移数据；
d、将当前时刻左右侧车轮的振动位移叠加到其平衡位置，实现对车轮平面模型的平移和旋转操作；
将当前时刻与列车车轮接触位置的钢轨截面的振动位移数据及该位置的线路几何状态所产生的钢轨偏移数据，叠加至其平衡位置，实现对钢轨平面模型的平移和旋转操作；
e、对左右侧车轮和钢轨进行装配，并对车轮和钢轨上的接触点分别用接触斑坐标系进行标记、显示，最终得到平面轮轨接触关系可视化图像；
f、重复c～e两步，即可实现铁道机车车辆轮轨动态接触的可视化仿真；若当前时刻与列车车轮接触位置的钢轨截面为所显示线路的终止端面，则仿真结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、在三维场景中，采用二维平面方式表现轮轨接触截面的动态相互作用，简单、直观、明了地显示轮轨接触关系，能够清楚观察到轮轨接触变化的细节，如车轮爬轨、跳轨、脱轨现象。
二、避免了在三维场景中进行三维显示轮轨接触状态时，视点变化复杂，以及对视点进行操作时，显示速度降低甚至难以满足实时显示要求的缺陷。也避免了在三维显示时，为了观察某一现象，而来不及观察另外一些现象的情况。
三、可以考虑铁路轨道随机不平顺等线路几何状态的影响，使得轮轨接触动态关系的描述仿真更加真实。
从而本发明方法为车轮与钢轨截面的优化设计提供了统一、直观、清晰的动态仿真依据。特别是为高速、重载现代化铁路车轮与钢轨的最佳管理提供了理论分析工具，具有很强的工程应用价值。
上述的a步中创建轮、轨接触截面的平面模型的具体方法为：对轮轨接触截面进行离散，生成足够数量的离散点数据，然后由点、线、面的方法生成轮、轨接触截面的平面模型。
采用离散点再生成线和面的方法，计算简单，同时生成的平面模型又具有足够的精度，能较好地满足二维显示的要求。
上述c步中列车车轮当前时刻的振动位移数据包括垂向位移、横向位移、侧滚角位移、摇头角位移。这样考虑了车轮在实际行驶时的各种振动位移，能更全面、真实地模拟车轮在行驶时的动态振动行为。
上述c步中，当前时刻与列车车轮接触位置的钢轨截面的振动位移数据包括垂向、横向、扭转位移。这样考虑了钢轨的振动位移，能有效地、逼真地模拟钢轨被碾压时的动态振动行为。
上述d步中线路几何状态所产生的钢轨偏移数据包括轨道不平顺、外侧钢轨超高数据。考虑钢轨的这些静态偏移数据，能更真实、完善地仿真轮轨接触的动态关系。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明实施例仿真出某一时刻的车轮、钢轨接触截面的轮廓示意图。
具体实施方式
实施例
一种铁道机车车辆轮轨动态接触的可视化仿真方法，其步骤为：
a步、从列车模型库和线路数据库中获取选定轮、轨截面数据，确定轮、轨的平衡位置，并在平衡位置处，通过现有的模型生成方法(如基于CreatorAPI的编程方法等)，对轮轨接触截面进行离散，生成足够数量的离散点数据，再由点、线、面的方式创建轮、轨接触截面的平面模型。对轮轨接触截面进行离散时，离散点的数量一般为150～250个点，200个点较佳；低于150个点，生成的平面模型显得粗糙；而高于250个点，则计算量加大，生成时间慢。存储于数据库的轮轨截面实测数据可通过轮轨型面测量仪(如MiniProf)在实际截面上测量得到。
b步、初始化仿真场景，并在其中配置光源。
c步、使用车辆一轨道耦合系统动力学计算方法，算出当前时刻列车车轮的振动位移数据及当前时刻与列车车轮接触位置的钢轨截面的振动位移数据。
当前时刻列车车轮的振动位移数据：轮对垂向位移、横向位移、摇头角位移、侧滚角位移。当前时刻与列车车轮接触位置的钢轨截面的振动位移数据包括：垂向位移、横向位移、扭转位移。
d步、将当前时刻左右侧车轮的振动位移叠加到其平衡位置，实现对车轮平面模型的平移和旋转操作。
将当前时刻与列车车轮接触位置的钢轨截面的振动位移数据及线路几何状态所产生包括轨道不平顺，外侧钢轨超高等钢轨偏移数据，叠加至钢轨平衡位置，实现对钢轨平面模型的平移和旋转操作。
e步、按照轨距、车轮名义滚动圆半径等参数，将左右侧车轮、钢轨的截面模型进行装配，并在轮轨接触点用接触斑坐标系(十字形坐标符号)进行标记，即可清楚、明晰地实现当前时刻轮轨动态相互作用的可视化仿真，最终得到平面轮轨接触处的二维可视化图像。
图1即为仿真出某一时刻的车轮、钢轨接触处截面的轮廓示意图。图1中：1为车轮的平面模型；2为钢轨的平面模型；3为接触斑坐标系标出的轮轨接触点。从图1中可清楚看出该时刻轮、轨的接触状态，可明显看出左轨呈超高状态，轮、轨接触点明显向右偏移。当然，轮、轨接触点的动态变化，则需要对一段时间内多个时刻仿真图的连续观察才能观察出来。实际仿真时，车轮、钢轨截面及场景以不同颜色表示，且没有附图标记1、2、3。
f步、重复以上c～e两步，即可实现铁道机车车辆轮轨动态接触的可视化仿真；若当前时刻与车轮接触位置的钢轨截面为显示线路的终止端面，则仿真结束。
本发明可选用Performer软件进行轮轨截面模型的驱动。Performer支持包括MultiGen的OpenFlight格式在内的多种模型文件格式，可实现将不同格式的模型方便地载入到同一个场景中。此外，利用Performer强大的数学处理功能和多种数学运算函数可以轻松显示轮轨动态相互作用的各种响应结果。
Claims (5)
1、一种铁道机车车辆轮轨动态接触的可视化仿真方法，其步骤为：
a、从列车模型库和线路数据库中获取选定轮、轨截面数据，确定轮、轨的平衡位置，并在平衡位置处创建轮、轨接触截面的平面模型；
b、初始化仿真场景，并在其中配置光源；
c、使用车辆—轨道耦合系统动力学计算方法，算出当前时刻列车车轮的振动位移数据及当前时刻与列车车轮接触位置的钢轨截面的振动位移数据；
d、将当前时刻左右侧车轮的振动位移叠加到其平衡位置，实现对车轮平面模型的平移和旋转操作；
将当前时刻与列车车轮接触位置的钢轨截面的振动位移数据及该位置的线路几何状态所产生的钢轨偏移数据，叠加至其平衡位置，实现对钢轨平面模型的平移和旋转操作；
e、对左右侧车轮和钢轨进行装配，并对车轮和钢轨上的接触点分别用接触斑坐标系进行标记、显示，最终得到平面轮轨接触关系可视化图像；
f、重复c～e两步，即可实现铁道机车车辆轮轨动态接触的可视化仿真；若当前时刻与列车车轮接触位置的钢轨截面为所显示线路的终止端面，则仿真结束。
2、根据权利要求1所述的一种铁道机车车辆轮轨动态接触的可视化仿真方法，其特征在于，所述的a步中创建轮、轨接触截面的平面模型的具体方法为：对轮轨接触截面进行离散，生成足够数量的离散点数据，然后由点、线、面的方法生成轮、轨接触截面的平面模型。
3、根据权利要求1所述的一种铁道机车车辆轮轨动态接触的可视化仿真方法，其特征在于，所述c步中列车车轮当前时刻的振动位移数据包括垂向位移、横向位移、侧滚角位移、摇头角位移。
4、根据权利要求1所述的一种铁道机车车辆轮轨动态接触的可视化仿真方法，其特征在于：所述c步中，当前时刻与列车车轮接触位置的钢轨截面的振动位移数据包括垂向、横向、扭转位移。
5、根据权利要求1所述的一种铁道机车车辆轮轨动态接触的可视化仿真方法，其特征在于，所述d步中线路几何状态所产生的钢轨偏移数据包括轨道几何不平顺、外侧钢轨超高数据。
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