CN111079322B - 列车系统动力学建模方法及其仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车系统动力学建模方法及其仿真方法，列车系统动力学建模方法，包括：对整车系统参数、轮轨参数和线路参数进行整理；基于整车系统参数建立整车多体动力学模型；基于轮轨参数和线路参数建立轮轨模型并基于轮轨模型建立线路环境耦合模型；将整车多体动力学模型和线路环境耦合模型进行组合以得到列车系统动力学模型。本发明实施例的列车系统动力学建模方法及其仿真方法，对车辆动力学性能与悬挂设备动态载荷环境，提供接近实际情况的仿真结果。

Description

列车系统动力学建模方法及其仿真方法

技术领域

本发明属于列车技术领域，特别涉及一种列车系统动力学建模方法及其仿真方法。

背景技术

目前的例如高速动车组、城轨车辆等的列车的建模中，往往仅考虑车辆或车下设备的分别建模，并分别进行力学性能的校核。对于轮轨激励、线路激励(两车交汇气动载荷、车过隧道气动载荷等)而言，其虽未直接加载于车下设备，但其对车辆与车下设备的影响非常大，是不可忽略的因素。因此，需要对包括车辆、车下设备、轮轨及线路的列车系统进行建模。

另外，目前在对车辆进行建模时，对将车辆等效为多刚体动力学模型，忽略车体弹性和其他载荷因素的影响，这往往会导致较大的预测值与实际值的偏差，严重的甚至会造成校核的失败。目前的例如高速动车组、城轨车辆等的列车，绝大多数均采用动力分散技术，车下设备分散于车体底部，其总重可达车体的30％，使得车体对车下设备刚性不足；加之车下设备和车体往往都采用轻量化设计，这进一步增大了两者间的弹性耦合。这种弹性耦合，会影响车体与转向架系统的力学作用关系，及设备安装处结构的载荷环境，因此，在对车辆进行动力学校核及对车下设备进行动力学强度校核和减振设计时，应从整车系统的角度考虑，既应该考虑车下设备对车辆的影响又应该考虑车辆对车下设备的影响，缺少任何一个因素都将会造成校核和设计的失败。车辆的力学性能与车下设备动力学强度的校核和预测，是车辆设计前端一个必不可少的环节，有着至关重要的作用。

因此，如何车辆-车下设备-轮轨-线路多重耦合的列车系统进行建模成为了一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是对车辆-车下设备-轮轨-线路多重耦合的列车系统进行建模。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了列车系统动力学建模方法，其特征在于，包括：

对整车系统参数、轮轨参数和线路参数进行整理，整车系统参数包括车辆基本参数、车辆各子部件质量惯量属性参数、系统结构参数、一系和二系悬挂参数以及悬挂设备动力学参数，轮轨参数包括轮对踏面及轨型参数、路基弹性和惯性参数，线路参数包括线路轨道不平顺谱、线路环境激励参数、线路模型参数；

基于整车系统参数建立整车多体动力学模型；

基于轮轨参数和线路参数建立轮轨模型并基于轮轨模型建立线路环境耦合模型；

将整车多体动力学模型和线路环境耦合模型进行组合以得到列车系统动力学模型。

优选地，整车多体动力学模型包括整车多刚体动力学模型和整车多柔体动力学模型。

优选地，基于整车系统参数建立整车多体动力学模型，包括：

基于整车系统参数建立刚性转向架模型，基于刚性转向架模型建立整车多刚体动力学模型；以及

基于整车系统参数建立弹性转向架模型，基于弹性转向架模型建立整车多柔体动力学模型。

优选地，基于整车系统参数建立弹性转向架模型，包括：

基于整车系统参数对弹性子结构进行建模并得到白车体弹性子结构模型、转向架弹性子结构模型、轮对弹性子结构模型和悬挂设备弹性子结构模型。

优选地，轮轨模型包括刚性轮轨模型和弹性轮轨模型。

优选地，线路环境激励参数通过气动仿真技术进行获取。

优选地，基于轮轨参数和线路参数建立轮轨模型并基于轮轨模型建立线路环境耦合模型，包括：

将线路轨道不平顺谱、线路环境激励参数、线路模型参数以线路的路程为自变量进行有机组合建立线路环境耦合模型。

优选地，还包括：

基于列车系统线路运行实测数据对列车系统动力学模型的动力学仿真结构进行标定；

基于标定结果对列车系统动力学模型进行模型修正和校核，并获得目标列车系统动力学模型。

本发明实施例还公开了一种列车系统动力学仿真方法，其包括上述的列车系统动力学建模方法，还包括：

利用列车系统动力学模型对车辆的动力学性能和/或悬挂设备的动态载荷环境进行仿真。

优选地，对车辆的动力学性能和/或悬挂设备的动态载荷环境进行仿真，包括：

对车辆和/或悬挂设备的变量进行仿真，变量包括位移、速度、加速度和力。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

通过上述方法建立的列车系统动力学模型考虑了车下设备对车辆的影响，也考虑了车辆对车下设备的影响，轮轨和线路也耦合到列车系统动力学模型中，能够更准确的进行仿真，为车辆动力学性能校核、参数优化及车下悬挂设备的动力学强度校核提供了强有力的工具。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1是根据本发明一实施例的列车系统动力学建模方法的流程示意图；

图2是列车简单拓扑模型的结构图；

图3是本发明一实施例的列车系统动力学模型的拓扑模型的结构图；

图4是根据本发明一实施例的列车系统动力学仿真方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

对整车系统参数、轮轨参数和线路参数进行整理，基于整车系统参数建立整车多体动力学模型，基于轮轨参数和线路参数建立轮轨模型并基于轮轨模型建立线路环境耦合模型，将整车多体动力学模型和线路环境耦合模型进行组合以得到列车系统动力学模型，列车系统动力学模型考虑了车辆、车下设备、轮轨和线路多重耦合，建立的列车系统动力学模型更符合实际情况，能够对车辆的动力学性能和悬挂设备的动态载荷环境提供准确的仿真预测。

下面以具体的实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，为本发明实施例的一种列车系统动力学建模方法，其包括：

S1，对整车系统参数、轮轨参数和线路参数进行整理，整车系统参数包括车辆基本参数、车辆各子部件质量惯量属性参数、系统结构参数、一系和二系悬挂参数以及悬挂设备动力学参数，轮轨参数包括轮对踏面及轨型参数、路基弹性和惯性参数，线路参数包括线路轨道不平顺谱、线路环境激励参数、线路模型参数；其中，系统结构参数为相对位置参数，参考坐标一般建立于车体垂向中心线与轨道平面的交点。轨道不平顺谱尽量采用实测数据进行编制，也可采用现有的几类轨道谱。线路模型参数包括线路曲线半径、超高及竖曲线，线路模型参数可以根据线路的实际情况参考标准《GB50090-2006_铁路线路设计规范》进行确定。

S2，基于整车系统参数建立整车多体动力学模型；

S3，基于轮轨参数和线路参数建立轮轨模型并基于轮轨模型建立线路环境耦合模型；

S4，将整车多体动力学模型和线路环境耦合模型进行组合以得到列车系统动力学模型。

通过上述方法建立的列车系统动力学模型考虑了车下设备对车辆的影响，也考虑了车辆对车下设备的影响，轮轨和线路也耦合到列车系统动力学模型中，能够更准确的进行仿真，为车辆动力学性能校核、参数优化及车下悬挂设备的动力学强度校核提供了强有力的工具。

如图2所示，从力学拓扑关系上，列车简单拓扑模型分为三层子系统，包括轮对子系统、转向架构架子系统和车体子系统。从振动的传递关系来看，三者分别对应于激励输入层、振动传递层和响应层。

在一个实施例中，根据列车简单拓扑模型，列车系统动力学模型可以表述为如图3。在进行建模时，车体和悬挂设备考虑成弹性体，轮轨子系统及转向架构架子系统皆用刚体模拟，气动载荷的计算可以采用八节车模型进行模拟，轨道不平顺谱采用实测谱。将车体弹性子结构模型、设备弹性子结构模型、转向架模型按照拓扑关系，组合在一起，并在相应位置加载线路气动载荷及轨道实测不平顺谱，在simpack中建立设备-车辆-轮轨-线路刚柔耦合系统动力学模型。

其中，在对弹性子结构模型进行建模时，可以依据下面的原理进行。

弹性体任意一点的运动位移可以描述为弹性体的小变形与物体整体运动的叠加：

r_B(c,t)＝A(t)(r_A(t)+c+u(c,t)) (1)

其中，r_B(c,t)为弹性体上节点的位置矢量；A(t)为转换矩阵；r_A(t)为总体惯性坐标系到弹性体参考坐标系的位置矢量；c为弹性体参考坐标系到弹性体未变形时的节点位置矢量；u(c,t)为弹性体上节点的微小弹性变形矢量；t为时间变量。

在SIMPACK中，弹性体的变形由Rite法得到。弹性变形位移矢量u(c,t)由模态或振型函数u_j(c)与时间函数q_j(t)的模态坐标线性组合来描述：

利用Rite法，弹性体无限个自由度数可以缩减为有限的几个振型来表示，而应变ε(c,t)可以表示为：

ε(c,t)＝D_εuu(c,t) (3)

其中，D_εu为应变和变形矢量的转换矩阵。

根据胡克定律可以得到弹性体内的任意一点的应力：

σ(c,t)＝Hε(c,t) (4)

其中，H为弹性模量。

将式(2)、式(3)和式(4)的关于时间的一阶导数和二阶导数代入基于虚功原理的多体系统中弹性体运动方程中去，可以得到：

∫_Vδr^TρrdV+∫_Vδε^TσdV＝∫_Sδr^TpdS (5)

其中，ρ为密度，V为体积，p为作用力，S为面积。

把从方程(5)中得到的和时间相关的变量代入下式：

其中，m为单位质量，I为单位矩阵，

为相对于中心的变形点的位置矢量与总体惯性坐标系到弹性体坐标系的位置矢量的向量积与总体惯性坐标系到弹性体坐标系的位置矢量的商，C_t为耦合矩阵移动变形项，C_r为耦合矩阵旋转变形项，J为转动惯量，M_e为模态质量矩阵，a为绝对加速度，

为角加速度的一阶导数，

为模态坐标的二阶导数，

为角加速度与总体惯性坐标系到弹性体坐标系的位置矢量的向量积与总体惯性坐标系到弹性体坐标系的位置矢量的商，d_CM为相对于中心的变形点的位置，

为相对于中心的变形点的位置的一阶导数，G_r为由于旋转产生的螺旋力，O_e为由于变形产生的离心力，G_e为由于变形产生的螺旋力，Ω由

计算，K_e为模态刚度矩阵，q为模态坐标，p_k为k阶模态，c_k为位节点置矢量，

为节点位置矢量与总体惯性坐标系到弹性体坐标系的位置矢量的向量积与总体惯性坐标系到弹性体坐标系的位置矢量的商，U^T为弹性变形矢量的转置矩阵。其中，各个矢量可以通过线性有限元模型中的刚度矩阵和质量矩阵得到。每个结构的形函数可以通过法向模态、静模态以及频响函数获得，SIMPACK中采用法向模态与所谓的频响模态作为弹性体结构的形函数。

在一个优选实施例中，整车多体动力学模型包括整车多刚体动力学模型和整车多柔体动力学模型。其中，整车多刚体动力学模型中，车辆、转向架子系统均为刚体模型，整车多柔体动力学模型均为弹性体模型。列车系统包括多个弹性较大、振型复杂的柔性体，例如车体、设备等，又包含多个质量大且不规则的刚性体，例如变压器、空调、水箱、转向架构架、轮对等，是一个多点、多层、多向和弹惯性耦合的刚柔耦合系统。通过在列车系统动力学模型中耦合整车多柔体动力学模型，能够增加列车系统中例如车辆与车下设备等的弹性耦合，使列车系统动力学模型更加与实际情况吻合。

线路环境激励参数主要包括车辆运行过程中列车过隧道、两车交汇、两车过隧道交汇的气动载荷激励。在一个实施例中，为了更准确的获得线路环境激励参数，也为了更好的在列车系统动力学模型中耦合线路参数，线路环境激励参数可以通过气动仿真技术进行获取。

具体的，基于整车系统参数建立整车多体动力学模型，包括：

基于整车系统参数建立刚性转向架模型，基于刚性转向架模型建立整车多刚体动力学模型；以及

基于整车系统参数建立弹性转向架模型，基于弹性转向架模型建立整车多柔体动力学模型。

其中，刚性转向架模型与刚性轮轨模型的建模方式一致。弹性转向架模型为在刚性转向架模型的基础上将转向架构架和轮轨模型替换为相应的弹性子结构模型。

具体的，基于整车系统参数建立弹性转向架模型，包括：

基于整车系统参数对弹性子结构进行建模并得到白车体弹性子结构模型、转向架弹性子结构模型、轮对弹性子结构模型和悬挂设备弹性子结构模型。白车体弹性子结构模型、转向架弹性子结构模型、轮对弹性子结构模型和悬挂设备弹性子结构模型均采用有限元方法进行离散，并根据其相应的模态特性进行模态缩减，最大模态上限频率应大于200Hz。

具体的，轮轨模型可以包括刚性轮轨模型和弹性轮轨模型。其中，刚性轮轨模型需通过试验获取路基系统的路基弹性和惯性参数，轮对和轨道-路基系统等效为多个弹性连接的多刚体系统；弹性轮轨模型一般可通过有限元方法建立。

在一个实施例中，基于轮轨参数和线路参数建立轮轨模型并基于轮轨模型建立线路环境耦合模型，包括：

将线路轨道不平顺谱、线路环境激励参数、线路模型参数以线路的路程为自变量进行有机组合建立线路环境耦合模型。其中，线路模型参数包括线路曲线半径、超高及竖曲线。

在一个实施例中，列车系统动力学建模方法还包括：

基于列车系统线路运行实测数据对列车系统动力学模型的动力学仿真结构进行标定；

基于标定结果对列车系统动力学模型进行模型修正和校核，并获得目标列车系统动力学模型。

对于新车，列车系统线路运行实测数据来源于与列车系统动力学模型同类型的列车系统实际运行的数据。对于已经运行的列车系统，列车系统线路运行实测数据为本列车系统实际运行的数据。列车系统线路运行实测数据包括车体、转向架、轮对及悬挂设备关键位置的实测数据。能够准确获得列车实际线路运行时车辆的动力学性能和车下设备的动态载荷，可以用于车辆设计前端的动力学校核及参数优化。

如果标定结果在设定阈值内，则认为列车系统动力学模型为目标列车系统动力学模型，如果标定结果不在设定阈值内，则根据标定结果调整列车系统动力学模型的参数，例如整车系统参数、轮轨参数、线路参数。

本发明实施例还公开了一种列车系统动力学仿真方法，如图4所示，包括上述的列车系统动力学建模方法，还包括：

S5，利用列车系统动力学模型对车辆的动力学性能和/或悬挂设备的动态载荷环境进行仿真。

具体的，对车辆的动力学性能和/或悬挂设备的动态载荷环境进行仿真，包括：

对车辆和/或悬挂设备的变量进行仿真，变量包括位移、速度、加速度和力。

基于列车系统的多体动力学仿真技术和气动仿真技术，融合线路轨面不平顺谱和车辆线路运行实测数据，可建立车下设备-车辆-轮轨-线路多重耦合大系统全环境模型，对车辆动力学性能与悬挂设备动态载荷环境，提供准确预测。可以有效提高仿真的准确性，获取实际测量难度大或无法测试的动力学参量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种列车系统动力学建模方法，其特征在于，包括：

对整车系统参数、轮轨参数和线路参数进行整理，整车系统参数包括车辆基本参数、车辆各子部件质量惯量属性参数、系统结构参数、一系和二系悬挂参数以及悬挂设备动力学参数，轮轨参数包括轮对踏面及轨型参数、路基弹性和惯性参数，线路参数包括线路轨道不平顺谱、线路环境激励参数和线路模型参数；

基于整车系统参数建立整车多体动力学模型；所述整车多体动力学模型包括整车多刚体动力学模型和整车多柔体动力学模型，其中，所述整车多刚体动力学模型中，车辆、转向架子系统为刚体模型，所述整车多柔体动力学模型为弹性体模型；

基于轮轨参数和线路参数建立轮轨模型并基于轮轨模型建立线路环境耦合模型；所述轮轨模型包括刚性轮轨模型和弹性轮轨模型，其中，所述刚性轮轨模型通过试验获取路基系统的路基弹性和惯性参数，所述弹性轮轨模型通过有限元方法建立；

将整车多体动力学模型和线路环境耦合模型进行组合以得到列车系统动力学模型；

其中，所述基于轮轨参数和线路参数建立轮轨模型并基于轮轨模型建立线路环境耦合模型，包括：

将线路轨道不平顺谱、线路环境激励参数、线路模型参数以线路的路程为自变量进行有机组合建立线路环境耦合模型。

2.根据权利要求1所述的列车系统动力学建模方法，其特征在于，基于整车系统参数建立整车多体动力学模型，包括：

基于整车系统参数建立刚性转向架模型，基于刚性转向架模型建立整车多刚体动力学模型；以及

基于整车系统参数建立弹性转向架模型，基于弹性转向架模型建立整车多柔体动力学模型。

3.根据权利要求2所述的列车系统动力学建模方法，其特征在于，基于整车系统参数建立弹性转向架模型，包括：

基于整车系统参数对弹性子结构进行建模并得到白车体弹性子结构模型、转向架弹性子结构模型、轮对弹性子结构模型和悬挂设备弹性子结构模型。

4.根据权利要求1所述的列车系统动力学建模方法，其特征在于，线路环境激励参数通过气动仿真技术进行获取。

5.根据权利要求1所述的列车系统动力学建模方法，其特征在于，还包括：

基于列车系统线路运行实测数据对列车系统动力学模型的动力学仿真结构进行标定；

基于标定结果对列车系统动力学模型进行模型修正和校核，并获得目标列车系统动力学模型。

6.一种列车系统动力学仿真方法，其特征在于，包括权利要求1-5中任一项所述的列车系统动力学建模方法，还包括：

利用列车系统动力学模型对车辆的动力学性能和/或悬挂设备的动态载荷环境进行仿真。

7.根据权利要求6所述的列车系统动力学仿真方法，其特征在于，对车辆的动力学性能和/或悬挂设备的动态载荷环境进行仿真，包括：

对车辆和/或悬挂设备的变量进行仿真，变量包括位移、速度、加速度和力。

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