CN106951657A - 一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，包括使用三次NURBS曲线构建磨损廓形的参数化模型；以磨损钢轨廓形NURBS参数化模型的可调整权因子为设计变量，轮轨接触应力和轮轨动力学性能指标为因变量，建立磨损钢轨打磨目标廓形性能的Kriging模型；以可调整权因子为设计变量，以钢轨打磨目标廓形性能的Kriging模型为目标函数，建立钢轨打磨目标廓形的优化设计模型，实现对磨损钢轨打磨目标廓形的最优设计；本发明的方法可实现对任意磨损钢轨进行打磨目标廓形的快速设计，具有设计效率高、设计结果准确的特点，解决了钢轨打磨需要使用数值仿真方法反复验算打磨目标廓形准确性而导致的设计效率低的问题。
Description
技术领域
本发明属于机械工程钢轨打磨技术领域，特别涉及一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法。
背景技术
高速铁路钢轨打磨可以提高车辆的运行平稳性与稳定性，在钢轨打磨施工之前，为了保证钢轨打磨之后获得最优的车辆运行性能，通常需要在打磨之前根据打磨线路钢轨的损伤情况，对钢轨打磨目标廓形进行设计，确保获得最佳的轮轨接触状态。但是，由于车辆载荷和工况条件的差异，使得磨损钢轨的廓形千差万别，在每次打磨施工前都需要针对钢轨的磨损情况，重新设计钢轨打磨目标廓形。而当前，主要采用经验设计的方法确定钢轨初始打磨目标廓形，然后数值仿真计算方法，对该目标廓形下轮轨接触性能进行数值计算，通过反复修正、计算，直到获得最优的打磨目标廓形(马跃伟,任明法,胡广辉,等.高速铁路钢轨预打磨型面优化分析.机械工程学报,2012,48(8):90-97.)。该种设计方法存在着计算量大、计算周期长的问题，影响了钢轨打磨施工效率。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种针对磨损钢轨的打磨目标廓形快速设计方法，构建基于NURBS可调权因子的钢轨目标廓形参数化模型，建立轮轨接触性能指标关于可调权因子的Kriging代理模型，并以此为目标函数，以轮轨接触性能指标为优化目标，构建钢轨打磨目标廓形的优化设计模型，对打磨目标廓形进行设计。由于设计模型中目标函数使用了Kriging代理模型，不需要使用数值仿真计算方法计算不同打磨目标廓形的轮轨接触性能，避免了数值仿真计算导致的计算成本高、耗时长的问题，可显著提高打磨目标廓形的设计效率。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，包括以下步骤：
(1)使用钢轨轮廓扫描仪，获得磨损钢轨断面廓形的数据点坐标值，将之作为NURBS曲线的型值点，构建基于三次NURBS曲线的磨损钢轨打磨横断面廓形曲线参数化模型；
(2)在有限元软件中构建磨损钢轨参数化模型，并建立钢轨与车轮踏面的轮轨接触模型，用于分析轮轨接触应力值F；
(3)在动力学分析软件中建立磨损钢轨与轨道车辆轮对接触的动力学分析模型，分析轮轨动力学性能指标H，包括轮轨滚动圆半径差λ，轮重减载率J；
(4)利用步骤(2)在有限元软件中构建磨损钢轨参数化模型，调整参数化变量X，获得具有不同廓形的钢轨模型，计算获得不同参数化变量X对应的轮轨接触应力值F；
(5)利用步骤(3)建立的磨损钢轨与轨道车辆轮对接触的动力学分析模型，调整参数化变量X，获得具有不同廓形的钢轨模型，计算获得不同参数化变量对应的轮轨接触动力学性能指标H；
(6)使用步骤(4)和步骤(5)中的参数化变量X、轮轨接触应力值F和轮轨接触动力学性能指标H作为训练样本，基于Matlab软件Dace工具箱，构建钢轨廓形曲线参数X关于轮轨接触应力F与动力学性能指标H的Kriging模型；
(7)以轮轨接触应力F，轮轨滚动圆半径差λ和轮重减载率J作为优化目标，以钢轨参数化模型的参数化变量X为优化变量，以构建的钢轨廓形曲线参数关于轮轨接触应力F与动力学性能指标H的Kriging模型为目标函数，建立磨损钢轨的打磨目标廓形优化设计模型；
(8)使用步骤(7)构建的优化设计模型，获得优化的钢轨参数化模型调整参数Xopt，利用步骤(1)建立的钢轨的参数化模型获得最终的磨损钢轨打磨目标廓形。
所述步骤(1)具体包括以下步骤：
(1.1)以钢轨轨顶中心为原点，以水平方向为x轴，以竖直方向为y轴，构建钢轨的全局坐标系，在钢轨廓形曲线上均匀采样，获得n个位于钢轨廓形曲线的点坐标；
(1.2)以测量获得的n个钢轨廓形曲线点坐标为型值点，使用NURBS曲线方程，将NURBS权因子ω值均设置为1，构建磨损钢轨的三次NURBS曲线方程；
(1.3)以三次NURBS曲线方程的控制权因子ω为参数化变量X，以NURBS权因子ω原始值(取1)为中心，上、下浮动50％，获得基于可调整权因子的磨损钢轨廓形曲线参数化模型。
所述步骤(6)具体包括以下步骤：
(6.1)将磨损钢轨目标廓形曲线参数模型的可调整权因子ω作为参数化变量X，轮轨接触应力F和动力学性能指标H作为因变量；
(6.2)使用拉丁超立方抽样方法在设计空间中对可调整权因子ω进行随机抽样、组合，获得由具有不同形状的廓形曲线；
(6.3)应用步骤(4)和步骤(5)所述方法，分别计算不同打磨目标廓形对应的轮轨接触应力值F和轮轨动力学性能指标H；
(6.4)将可调整权因子ω和轮轨接触应力值F、动力学性能指标H组合起来，以此作为训练样本，应用Matlab软件的Dace工具箱构建轮轨接触应力值F和轮轨动力学性能指标H的Kriging预测模型。
所述步骤(7)具体包括以下步骤：
(7.1)将轮轨接触应力值F最小，轮轨滚动圆半径差λ最大，轮重减载率J最小作为三个优化目标；
(7.2)将钢轨参数化模型的参数化变量X(即步骤(6.1)中的可调整权因子ω)作为优化变量，且ω∈[0,2]；
(7.3)将步骤(6.4)中构建的轮轨接触应力值F和轮轨动力学性能指标H的Kriging预测模型为目标函数；
(7.4)将轮重减载率J作为约束指标，根据《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》(GB 5599-85)的规定，其取值区间为[0,0.6]，最终获得磨损钢轨的打磨目标廓形优化设计模型。
本发明的有益效果为：应用本发明方法可以快速、精确的计算任意磨损钢轨打磨目标廓形，解决了钢轨打磨施工过程中需要根据钢轨磨损情况反复对目标廓形进行仿真分析而导致的计算量大的问题，提高了钢轨打磨目标廓形设计的效率和精度，具有良好的工程应用价值。
本发明考虑到钢轨打磨目标廓形曲线形状与轮轨动力学性能之间的复杂关系，基于Kriging模型构建了钢轨廓形曲线调整参数由于轮轨接触性能指标间的近似模型，可以快速、准确的计算不同打磨目标廓形曲线下的轮轨接触性能，提高了钢轨打磨目标廓形的设计效率。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是钢轨廓形全局坐标系。
图3是轮轨接触性能Kriging模型构建方案。
图4是磨损的60钢轨廓形。
图5是基于NURBS曲线的磨损钢轨廓形参数化模型。
图6是轮轨接触应力关于可变参数的Kriging模型。
图7是轮对滚动圆半径差关于可变参数的Kriging模型。
图8是计算获得的钢轨打磨目标廓形曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明晰，以下结合附图对本发明的具体内容作进一步说明，但本发明的具体实施方式不限于此。
如图1所示，一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，包括以下步骤：
1)构建如图2所示的钢轨廓形全局坐标系，使用钢轨轮廓扫描仪，获得磨损钢轨断面廓形的数据点坐标值，将之作为NURBS曲线的型值点，构建基于三次NURBS曲线的磨损钢轨打磨横断面廓形曲线参数化模型；
所述步骤(1)具体包括以下步骤：
(1.1)以钢轨轨顶中心为原点，以水平方向为x轴，以竖直方向为y轴，构建钢轨的全局坐标系，在钢轨廓形曲线上均匀采样，获得n个位于钢轨廓形曲线的点坐标；
(1.2)以测量获得的n个钢轨廓形曲线点坐标为型值点，使用NURBS曲线方程，将NURBS权因子ω值均设置为1，构建磨损钢轨的三次NURBS曲线方程；
(1.3)以三次NURBS曲线方程的控制权因子ω为参数化变量X，以NURBS权因子ω原始值(取1)为中心，上、下浮动50％，获得基于可调整权因子的磨损钢轨廓形曲线参数化模型。
(2)在有限元软件中构建磨损钢轨参数化模型，并建立钢轨与车轮踏面的轮轨接触模型，用于分析轮轨接触应力值F；
(3)在动力学分析软件中建立磨损钢轨与轨道车辆轮对接触的动力学分析模型，分析轮轨动力学性能指标H(轮轨滚动圆半径差λ，轮重减载率J)；
(4)利用有限元软件中的磨损钢轨参数化模型，调整参数化变量X，获得具有不同廓形的钢轨模型，应用步骤(2)的有限元方法，计算获得不同参数化变量X对应的轮轨接触应力值F；
(5)在动力学分析软件中建立磨损钢轨参数化模型，调整参数化变量X，获得具有不同廓形的钢轨模型，应用步骤(3)的动力学分析方法，计算获得不同参数化变量X对应的轮轨接触动力学性能指标H；
(6)使用步骤(2)和步骤(3)中的参数化变量X，步骤(2)中的轮轨接触应力值F，步骤(3)中的轮轨接触动力学性能指标H，作为训练样本，基于Matlab软件Dace工具箱，构建轮轨接触应力F与动力学性能指标H关于钢轨廓形曲线参数关于的Kriging模型；
轮轨接触性能Kriging模型构建方案，包括以下步骤：
(6.1)将磨损钢轨目标廓形曲线参数模型的可调整权因子ω作为参数化变量X，轮轨接触应力F和动力学性能指标H作为因变量；
(6.2)使用拉丁超立方抽样方法在设计空间中对可调整权因子ω进行随机抽样、组合，获得由具有不同形状的廓形曲线；
(6.3)应用步骤4)和步骤5)所述方法，分别计算不同打磨目标廓形对应的轮轨接触应力值F和轮轨动力学性能指标H；
(6.4)将可调整权因子ω和轮轨接触应力值F、动力学性能指标H组合起来，以此作为训练样本，应用Matlab软件的Dace工具箱构建轮轨接触应力值F和轮轨动力学性能指标H的Kriging预测模型，其整体流程如图3所示；
(7)以轮轨接触应力F，轮轨滚动圆半径差λ和轮重减载率J作为优化目标，以钢轨参数化模型的参数化变量X为优化变量，以构建的钢轨廓形曲线参数关于轮轨接触应力F与动力学性能指标H的Kriging模型为目标函数，建立磨损钢轨的打磨目标廓形优化设计模型；
磨损钢轨的打磨目标廓形优化设计模型建模方案，包括以下步骤：
(7.1)将轮轨接触应力值F最小，轮轨滚动圆半径差λ最大，轮重减载率J最小作为三个优化目标；
(7.2)将钢轨参数化模型的参数化变量X(即步骤(6.1)中的可调整权因子ω)作为优化变量，且ω∈[0,2]；
(7.3)将步骤(6.4)中构建的轮轨接触应力值F和轮轨动力学性能指标H的Kriging预测模型为目标函数；
(7.4)将轮重减载率J作为约束域，根据《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》(GB 5599-85)的规定，其取值区间为[0,0.6]，最终获得磨损钢轨的打磨目标廓形优化设计模型。
(8)使用步骤(7)构建的优化设计模型，获得优化的钢轨参数化模型调整参数Xopt，利用步骤(1)建立的钢轨的参数化模型获得最终的磨损钢轨打磨目标廓形。
下面以某磨损的60钢轨为对象，详细说明一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法。
一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，包括以下步骤：
1)在某段需要打磨的线路上，选择如图4所示磨损钢轨廓形，以轨顶中心为原点，垂直方向为纵坐标，水平方向为横坐标，构建钢轨局部坐标系，使用轮轨廓形检测仪获得磨损后钢轨廓形曲线上点的二维坐标值，如表1所示：
表1磨损钢轨廓形曲线二维坐标值
以表1中数据为型值点，使用三次NURBS曲线构建如图5所示的磨损钢轨廓形参数化模型(假设需要调整的目标廓形形状由ω3，ω4，ω5控制)；
2)在有限元软件ANSYS中构建磨损钢轨参数化模型，并建立钢轨与车轮踏面的轮轨接触模型；
3)在动力学分析软件SIMPACK中建立磨损钢轨与轨道车辆轮对接触的动力学分析模型；
4)利用有限元软件中的磨损钢轨参数化模型，调整参数化变量X(ω3，ω4，ω5)，获得k组(根据Kriging代理模型建模方法，训练样本数k＝3(n+1)(n+2)/2＝30，n为设计变量数)具有不同廓形的钢轨模型，应用步骤2)的有限元方法，计算获得不同参数化变量X对应的轮轨接触应力值F；
5)在动力学分析软件中建立磨损钢轨参数化模型，调整参数化变量X(ω3，ω4，ω5)，获得30组具有不同廓形的钢轨模型，应用步骤3)的动力学分析方法，计算获得不同可调整权因子ω3，ω4，ω5对应的轮轨接触动力学性能指标H；不同参数化变量X钢轨打磨目标廓形对应的轮轨接触应力值F和动力学性能指标H如表2所示：
表2可调整权因子ω3，ω4，ω5及其对应轮轨接触应力值F和动力学性能指标H
6)使用步骤2)和步骤3)中的30组可调整权因子ω3，ω4，ω5，步骤2)中的轮轨接触应力值F，步骤3)中的轮轨接触动力学性能指标H，作为训练样本，基于Matlab软件Dace工具箱，构建并获得轮轨接触应力F与滚动圆半径差λ关于钢轨廓形曲线参数关于的Kriging模型，分别如图6和图7所示；
7)以轮轨接触应力F，轮轨滚动圆半径差λ和轮重减载率J作为优化目标，以钢轨参数化模型的可调整权因子ω3，ω4，ω5为变量，以构建的钢轨廓形曲线参数关于轮轨接触应力F与动力学性能指标H的Kriging模型为目标函数，建立磨损钢轨的打磨目标廓形优化设计模型；
8)使用步骤7)构建的优化设计模型，获得优化的钢轨参数化模型调整参数Xopt(ω3opt,ω3opt,ω5opt)，利用步骤1)建立的钢轨的参数化模型获得最终的磨损钢轨打磨目标廓形，如图8(虚线部分)所示。
Claims (4)
1.一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用钢轨轮廓扫描仪，获得磨损钢轨断面廓形的数据点坐标值，将之作为NURBS曲线的型值点，构建基于三次NURBS曲线的磨损钢轨打磨横断面廓形曲线参数化模型；
(2)在有限元软件中构建磨损钢轨参数化模型，并建立钢轨与车轮踏面的轮轨接触模型，用于分析轮轨接触应力值F；
(3)在动力学分析软件中建立磨损钢轨与轨道车辆轮对接触的动力学分析模型，分析轮轨动力学性能指标H，包括轮轨滚动圆半径差λ，轮重减载率J；
(4)利用步骤(2)在有限元软件中构建磨损钢轨参数化模型，调整参数化变量X，获得具有不同廓形的钢轨模型，计算获得不同参数化变量X对应的轮轨接触应力值F；
(5)利用步骤(3)建立的磨损钢轨与轨道车辆轮对接触的动力学分析模型，调整参数化变量X，获得具有不同廓形的钢轨模型，计算获得不同参数化变量对应的轮轨接触动力学性能指标H；
(6)使用步骤(4)和步骤(5)中的参数化变量X、轮轨接触应力值F和轮轨接触动力学性能指标H作为训练样本，基于Matlab软件Dace工具箱，构建钢轨廓形曲线参数X关于轮轨接触应力F与动力学性能指标H的Kriging模型；
(7)以轮轨接触应力F，轮轨滚动圆半径差λ和轮重减载率J作为优化目标，以钢轨参数化模型的参数化变量X为优化变量，以构建的钢轨廓形曲线参数关于轮轨接触应力F与动力学性能指标H的Kriging模型为目标函数，建立磨损钢轨的打磨目标廓形优化设计模型；
(8)使用步骤(7)构建的优化设计模型，获得优化的钢轨参数化模型调整参数Xopt，利用步骤(1)建立的钢轨的参数化模型获得最终的磨损钢轨打磨目标廓形。
2.根据权利要求1所述的一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，其特征在于，所述步骤(6)具体包括以下步骤：
(6.1)将磨损钢轨目标廓形曲线参数模型的可调整权因子ω作为参数化变量X，轮轨接触应力F和动力学性能指标H作为因变量；
(6.2)使用拉丁超立方抽样方法在设计空间中对可调整权因子ω进行随机抽样、组合，获得由具有不同形状的廓形曲线；
(6.3)应用步骤(4)和步骤(5)所述方法，分别计算不同打磨目标廓形对应的轮轨接触应力值F和轮轨动力学性能指标H；
(6.4)将可调整权因子ω和轮轨接触应力值F、动力学性能指标H组合起来，以此作为训练样本，应用Matlab软件的Dace工具箱构建轮轨接触应力值F和轮轨动力学性能指标H的Kriging预测模型。
3.根据权利要求1所述的一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，其特征在于，所述步骤(7)具体包括以下步骤：
(7.1)将轮轨接触应力值F最小，轮轨滚动圆半径差λ最大，轮重减载率J最小作为三个优化目标；
(7.2)将钢轨参数化模型的参数化变量X(即步骤(6.1)中的可调整权因子ω)作为优化变量，且ω∈[0,2]；
(7.3)将步骤(6.4)中构建的轮轨接触应力值F和轮轨动力学性能指标H的Kriging预测模型为目标函数；
(7.4)将轮重减载率J作为约束指标，其取值区间为[0,0.6]，最终获得磨损钢轨的打磨目标廓形优化设计模型。
4.根据权利要求1所述的一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括以下步骤：
(1.1)以钢轨轨顶中心为原点，以水平方向为x轴，以竖直方向为y轴，构建钢轨的全局坐标系，在钢轨廓形曲线上均匀采样，获得n个位于钢轨廓形曲线的点坐标；
(1.2)以测量获得的n个钢轨廓形曲线点坐标为型值点，使用NURBS曲线方程，将NURBS权因子ω值均设置为1，构建磨损钢轨的三次NURBS曲线方程；
(1.3)以三次NURBS曲线方程的控制权因子ω为参数化变量X，以NURBS权因子ω原始值(取1)为中心，上、下浮动50％，获得基于可调整权因子的磨损钢轨廓形曲线参数化模型。
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