CN111950150A - 一种扭曲轨道试验建模与仿真方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扭曲轨道试验建模与仿真方法及系统，根据试验方案构建扭曲轨道试验台的动力学仿真模型，并将被试验车辆的动力学仿真模型导入，得到车辆‑扭曲轨道试验台的耦合动力学模型，通过每个作动器的抬高量随时间变化曲线来模拟不同的轨道扭曲条件，能够实现任意型号车辆在任意轨道扭曲条件的仿真模拟，大大提高了实际现场扭曲轨道试验的模拟精度，该方法简单可行，既节约了时间、人力物力，又提高了效率，同时满足试验要求，解决了针对不同线路条件，不同转向架特性需设置不同轨道扭曲条件的问题，适用于城市轨道交通车辆以及干线铁路机车车辆的扭曲轨道试验。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，尤其涉及一种扭曲轨道试验建模与仿真方法及系统。
背景技术
“速度”和“安全”是铁路运输的发展目标和永恒的主题。作为载客和运输货物的列车，在运行过程中通过扭曲轨道等恶劣线路时，会导致轮轨横向力增大和车轮严重减载，极大地增加了列车脱轨风险。另外，随着国内轨道交通装备技术的蓬勃发展，出口到欧洲的机车和动车组也变得越来越多。按照惯例，进入欧洲市场的机车车辆一般都要求通过欧盟的TSI认证，其中一项关键内容就是列车通过扭曲线路的抗脱轨安全性试验，从而避免因转向架结构设计不合理或者悬挂参数匹配不当所导致的脱轨。
对于扭曲轨道的抗脱轨试验，现场一般都是在车轮位置施加相应高度的垫块，通过垫块下的轮重测量仪完成各个车轮处的轮重测量。目前，为了进行扭曲轨道安全性评价，很多学者都是采用曲线设置超高的方法，并使列车低速通过，从而获得每个车轮的轮重减载和脱轨系数安全性指标，该方法不能准确地模拟实际现场的扭曲轨道抗脱轨试验，且试验效率低，需耗费大量人力物力。除此之外，现场的扭曲轨道抗脱轨试验是人工检测，这种检测方法受人眼、仪器可靠性以及现场作业环境等因素影响，并且消耗一定的人力、物力和财力，而且试验结果可靠性不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种扭曲轨道试验建模与仿真方法及系统，以解决无法准确模拟实际现场的扭曲轨道抗脱轨试验，以及试验结果可靠性低等问题。
本发明独立权利要求的技术方案解决了上述发明目的中的一个或多个。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种扭曲轨道试验建模与仿真方法，包括：
步骤1：绘制扭曲轨道试验台的物理拓扑结构图；
步骤2：基于所述物理拓扑结构图，构建扭曲轨道试验台的实物体模型；
步骤3：在所述实物体模型中设置各部件的参数以及各部件之间的相对运动关系，得到扭曲轨道试验台的动力学仿真模型；
步骤4：设置所述扭曲轨道试验台动力学仿真模型中每个作动器的抬高目标值以及达到所述抬高目标值的时间，使每个作动器动作，获取每个作动器的抬高量随时间变化曲线；
步骤5：在所述扭曲轨道试验台的动力学仿真模型基础上，导入需要试验的车辆的动力学仿真模型，并设置车辆与扭曲轨道试验台之间的接触关系，得到车辆-扭曲轨道试验台的耦合动力学模型；
步骤6：根据每个作动器的抬高量随时间变化曲线，使所述耦合动力学模型动作，实现车辆在扭曲轨道上的仿真模拟。
本发明所述扭曲轨道试验建模与仿真方法，根据试验方案构建扭曲轨道试验台的动力学仿真模型，并将被试验车辆的动力学仿真模型导入，得到车辆-扭曲轨道试验台的耦合动力学模型，通过每个作动器的抬高量随时间变化曲线来模拟不同的轨道扭曲条件(不同轨道扭曲条件时每个作动器的抬高目标值不同)，能够实现任意型号车辆在任意轨道扭曲条件的仿真模拟，大大提高了实际现场扭曲轨道试验的模拟精度，该方法简单可行，既节约了时间、人力物力，又提高了效率，同时满足试验要求，解决了针对不同线路条件，不同转向架特性需设置不同轨道扭曲条件的问题，适用于城市轨道交通车辆以及干线铁路机车车辆的扭曲轨道试验。
进一步地，在所述步骤1之前还包括绘制扭曲轨道试验台的结构示意图的步骤。
物理拓扑结构图能够表述各个部件之间的相对运动关系，并不能表述每个部件的形状，通过结构示意图来表述每个部件的大致形状和大小。
进一步地，所述扭曲轨道试验台包括多个基本单元，每节车厢对应四个基本单元，每个所述基本单元均包括基座、第一作动器、第二作动器、第一安装座、第二安装座、第一滚轮以及第二滚轮；所述第一安装座通过第一作动器设于所述基座上，所述第二安装座通过第二作动器设于所述基座上；所述第一滚轮、第二滚轮分别设于第一安装座、第二安装座上。
进一步地，所述步骤3中，各部件之间的相对运动关系为：基座与大地之间无相对运动，通过第一作动器的控制第一安装座沿Z轴方向运动，通过第二作动器的控制第二安装座沿Z轴方向运动，第一滚轮、第二滚轮分别绕Y轴转动。
进一步地，所述方法还包括耦合动力学模型验证的步骤，具体过程为：根据轮对、构架以及车体的位置或姿态确定轮对与构架、构架与车体之间的相对位移，根据所述相对位移判断所述耦合动力学模型是否准确，如果否，则进行耦合动力学模型的修正，直到相对位移满足试验方案的要求。
进一步地，所述方法还包括轮重减载计算的步骤，具体过程为：根据轮对所受到的力及力矩平衡方程、构架所受到的力及力矩平衡方程、车体所受到的力及力矩平衡方程得到扭曲轨道试验台对转向架轮对的垂向力，再根据所述垂向力计算得到轮重减载率。
进一步地，所述轮重减载率的计算公式为：
式中，δ为轮重减载率，ΔP为轮重的减载量，P为左右侧车轮的平均轮重，FzwiL、FzwiR为扭曲轨道试验台对转向架轮对的垂向力。
本发明还提供一种扭曲轨道试验建模与仿真系统，包括：
拓扑图绘制单元，用于根据试验方案，绘制扭曲轨道试验台的物理拓扑结构图；
动力学模型构建单元，用于基于所述物理拓扑结构图构建扭曲轨道试验台的实物体模型，在所述实物体模型中设置各部件的参数以及各部件之间的相对运动关系，得到扭曲轨道试验台的动力学仿真模型；
曲线获取单元，用于设置所述扭曲轨道试验台动力学仿真模型中每个作动器的抬高目标值以及达到所述抬高目标值的时间，使每个作动器动作，获取每个作动器的抬高量随时间变化曲线；
耦合动力学模型构建单元，用于在所述扭曲轨道试验台的动力学仿真模型基础上，导入需要试验的车辆的动力学仿真模型，并设置车辆与扭曲轨道试验台之间的接触关系，得到车辆-扭曲轨道试验台的耦合动力学模型；
仿真模拟单元，用于根据每个作动器的抬高量随时间变化曲线，使所述耦合动力学模型动作，实现车辆在扭曲轨道上的仿真模拟。
进一步地，所述系统还包括模型验证单元，用于根据轮对、构架以及车体的位置或姿态确定轮对与构架、构架与车体之间的相对位移，根据所述相对位移判断所述耦合动力学模型是否准确，如果否，则进行耦合动力学模型的修正，直到相对位移满足试验方案的要求。
进一步地，所述系统还包括轮重减载计算单元，用于根据轮对所受到的力及力矩平衡方程、构架所受到的力及力矩平衡方程、车体所受到的力及力矩平衡方程得到扭曲轨道试验台对轮对的垂向力，再根据所述垂向力计算得到轮重减载率。
有益效果
与现有技术相比，本发明所提供的一种扭曲轨道试验建模与仿真方法及系统，根据试验方案构建扭曲轨道试验台的动力学仿真模型，并将被试验车辆的动力学仿真模型导入，得到车辆-扭曲轨道试验台的耦合动力学模型，通过每个作动器的抬高量随时间变化曲线来模拟不同的轨道扭曲条件，能够实现任意型号车辆在任意轨道扭曲条件的仿真模拟，大大提高了实际现场扭曲轨道试验的模拟精度，该方法简单可行，既节约了时间、人力物力，又提高了效率，同时满足试验要求，解决了针对不同线路条件，不同转向架特性需设置不同轨道扭曲条件的问题，适用于城市轨道交通车辆以及干线铁路机车车辆的扭曲轨道试验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中一种扭曲轨道试验建模与仿真方法的流程图；
图2是本发明实施例中扭曲轨道试验台的结构示意图；
图3是本发明实施例中扭曲轨道试验台的物理拓扑结构图；
图4是本发明实施例中扭曲轨道试验台的动力学仿真模型；
图5是本发明实施例中车辆-扭曲轨道试验台的耦合动力学模型；
图6是本发明实施例中某节车厢转向架轮对的抬高量随时间变化曲线，图6(a)为第1轮对和第2轮对抬高量随时间变化曲线，图6(b)为第3轮对和第4轮对抬高量随时间变化曲线；
图7是本发明实施例中转向架轮对的受力示意图；
图8是本发明实施例中转向架构架的受力示意图；
图9是本发明实施例中某节车厢的受力示意图；
图10是本发明实施例中某节车厢转向架各车轮在抬高前后轮重变化时域图，图10(a)为第1轮对和第2轮对在抬高前后轮重变化时域图，图10(b)为第3轮对和第4轮对在抬高前后轮重变化时域图。
其中，1-基座，2-第一作动器，3-第二作动器，4-第一安装座，5-第二安装座，6-第一滚轮，7-第二滚轮，8-构架，9-轮对，10-车体。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所提供的一种扭曲轨道试验建模与仿真方法，包括：
1、绘制扭曲轨道试验台的结构示意图。
轨道车辆由多节车厢构成，每节车厢一般设有两个转向架作为支撑，每个转向架对应有两个试验台的基本单元，每个基本单元的结构相同，因此，在模型构建时，先构建基本单元的动力学仿真模型，再根据车辆结构(每节车厢转向架的数量、位置)通过复制或子结构方法添加多个基本单元，构建整个扭曲轨道试验台的动力学仿真模型。
动力学仿真模型的构建不仅需要各部件的参数和相对运动关系，还需要各部件的尺寸形状，物理拓扑结构图能够反映各部件之间的相对运动关系，但是不能反映各部件的尺寸形状，因此，在绘制曲轨道试验台的物理拓扑结构图之前，先绘制扭曲轨道试验台基本单元的结构示意图。
如图2所示，试验台的每个基本单元均包括基座1、第一作动器2、第二作动器3、第一安装座4、第二安装座5、第一滚轮6以及第二滚轮7；所述第一安装座4通过第一作动器2设于所述基座1上，所述第二安装座5通过第二作动器2设于所述基座1上；所述第一滚轮6、第二滚轮7分别设于第一安装座4、第二安装座5上。
2、绘制扭曲轨道试验台的物理拓扑结构图。
分析各部件之间的相对运动关系，绘制扭曲轨道试验台基本单元的物理拓扑结构图，通过物理拓扑结构图来反映各部件之间的相对运动关系，如图3所示，基座1与大地之间无相对运动，用0DOF来表示(自由度数目为零)。作动器是实施振动主动控制的关键部件，能够按照确定的控制规律对控制对象施加控制力，安装座与基座之间的相对位移通过作动器进行控制，因此通过第一作动器2控制第一安装座4沿Z轴方向运动，通过第二作动器3控制第二安装座5沿Z轴方向运动。作动器两端的位移变化即为抬高量的变化。第一滚轮6、第二滚轮7分别在第一安装座4、第二安装座5内转动，即第一滚轮6、第二滚轮7分别绕Y轴转动。坐标系的建立可以参考TB/T 3502-2018《铁道客车及动车组模态试验方法及评定》。
3、基于物理拓扑结构图，利用多体动力学建模方法采用多体动力学软件(例如SIMPACK软件)构建扭曲轨道试验台的实物体模型。
实物体模型即为试验台的三维结构示意图，三维结构示意图更能形象、准确的反映试验台的结构、各部件之间的关系。
4、在实物体模型中设置各部件的参数以及各部件之间的相对运动关系，得到扭曲轨道试验台的动力学仿真模型，如图4所示。
根据步骤2中物理拓扑结构图中各部件之间的关系在实物体模型中设置相对运动关系，并设置各个部件的质量参数和转动惯量等参数，这些操作均可以在多体动力学软件(例如SIMPACK软件的Rail模块)中完成，具有部件参数及部件之间相对运动关系的实物体模型即为扭曲轨道试验台基本单元的动力学仿真模型，如图4所示。
5、设置扭曲轨道试验台动力学仿真模型中每个作动器的抬高目标值以及达到抬高目标值的时间，使每个作动器动作，获取每个作动器的抬高量随时间变化曲线。
车辆出口到不同国家和地区，所需要进行的扭曲轨道条件则不同，例如出口到欧洲的车辆需要执行EN 14363-2005《铁路车辆运行特性的验收试验-运动性能试验和静止试验》。根据车辆出口的国家和地区来确定扭曲轨道试验方案，再根据试验方案来确定每个作动器的抬高目标值和达到该抬高目标值的时间，利用多体动力学软件的函数导入(例如SIMPACK软件的Input Function)功能得到每个作动器的抬高量随时间变化曲线，作动器的抬高量从0逐步增加到抬高目标值，并在达到抬高目标值后稳定在该抬高目标值。
在获得试验台每个基本单元的动力学仿真模型和每个作动器的抬高量随时间变化曲线后，通过复制或子结构方法建立多个基本单元，由多个基本单元构成整个扭曲轨道试验台的动力学模型。各个基本单元的具体位置和数量根据车辆转向架的具体位置和数量来确定，一个转向架对应设有两个基本单元，基本单元的滚轮作为轨道，滚轮与转向架的轮对接触。
6、在扭曲轨道试验台的动力学仿真模型基础上，导入需要试验的车辆的动力学仿真模型，并设置车辆与扭曲轨道试验台之间的接触关系，得到车辆-扭曲轨道试验台的耦合动力学模型，如图5所示。
在车辆动力学仿真模型导入时，也可以采用子结构方法，单节车厢导入，直到完成所有车厢或编组列车模型的导入，单节车厢的动力学模型的构建为现有技术，可参考公开号为CN111079322A，名称为《列车系统动力学建模方法及其仿真方法》的专利申请文献。车辆与扭曲轨道试验台之间的接触关系即为转向架轮对9与滚轮6/7之间的接触关系，以试验台的滚轮6/7作为轨道，转向架的轮对9与滚轮6/7接触，例如第一滚轮6与转向架第i轮对9的左轮接触，第二滚轮7与转向架第i轮对9的右轮接触。
7、根据每个作动器的抬高量随时间变化曲线，使所述耦合动力学模型动作，实现车辆在扭曲轨道上的仿真模拟。
每个作动器处于不同的抬高量，从而使转向架的轮对处于不同高度，以此来模拟扭曲轨道条件，实现了车辆在扭曲轨道上的仿真模拟，本发明的方法能够模拟任意轨道扭曲条件(只要将轨道扭曲条件转换成每个作动器的抬高量目标值即可)，大大提高了实际现场扭曲轨道试验的模拟精度。
在采用仿真求解器进行仿真时，设仿真时间大于达到抬高目标值的时间，使作动器达到稳定平衡状态，得到某型号车辆其中一节车厢的抬高量随时间变化曲线，如图6所示。从图6中可以得出，仿真时间为50s，第1轮对左轮的抬高量目标值约为26mm(即第1轮对左轮对应的作动器的抬高量目标值约为26mm)，第2轮对左轮的抬高量目标值约为40mm，第1轮对右轮和第2轮对右轮的抬高量目标值约为32mm，第3轮对右轮和第4轮对右轮的抬高量目标值约为8mm，第3轮对左轮和第4轮对左轮的抬高量目标值约为55mm，当所有转向架轮对的抬高量达到抬高量目标值后(从0上升至抬高量目标值为线性变化)，抬高量稳定在抬高量目标值，模拟了车辆在扭曲轨道上。
8、根据轮对、构架以及车体的位置或姿态确定轮对与构架、构架与车体之间的相对位移，根据该相对位移判断耦合动力学模型是否准确，如果否，则进行耦合动力学模型的修正，直到相对位移满足试验方案的要求。
在仿真模拟过程中，可以将车辆在扭曲轨道上的状态可视化，通过动画直观获取轮对与构架、构架与车体之间的间隙(即相对位移)是否过大，如果过大，则修正耦合动力学模型，直到间隙满足试验方案的要求；也可以通过多体动力学软件的数值积分结果(例如SIMPACK软件的积分器)获取轮对与构架、构架与车体之间的相对位移值，再根据相对位移值进行耦合动力学模型准确度的判断和修正，提高了模型的精度，从而提高了实际现场扭曲轨道试验的模拟精度。
9、根据轮对所受到的力及力矩平衡方程、构架所受到的力及力矩平衡方程、车体所受到的力及力矩平衡方程得到扭曲轨道试验台对轮对的垂向力，再根据所述垂向力计算得到轮重减载率。
如图7所示，xwi为第i轮对的纵向位移(即沿x轴的位移)；ywi为第i轮对的横向位移(即沿y轴的位移)；zwi为第i轮对的垂向位移(即沿z轴的位移)，αwi为第i轮对的侧滚角(侧滚角是指第i轮对绕x轴的角位移)；γwi为第i轮对的摇头角(摇头角是指第i轮对绕z轴的角位移)，(xwi，ywi，zwi，αwi，γwi)即为第i轮对的位置或姿态；Mwg为第i轮对的重量；FzwiL、FzwiR为扭曲轨道试验台对转向架轮对的垂向力(即基本单元中第一滚轮、第二滚轮分别对转向架第i轮对左轮、右轮的z向作用力)；FxpsiL、FxpsiR为作用在第i轮对的左、右一系悬挂纵向力(纵向力是指沿x轴的作用力)；FypsiL、FypsiR为作用在第i轮对的左、右一系悬挂横向力(横向力是指沿y轴的作用力)；FzpsiL、FzpsiR为作用在第i轮对的左、右一系悬挂垂向力(垂向力是指沿z轴的作用力)。
根据图7的受力示意图，以第1轮对为例，可以得出轮对的力及力矩平衡方程：
式(1)中，Fxw1i为第1轮对所受的第i个纵向力，Fxw1i等于Fxps1L与Fxps1R之和；Fyw1i为第1轮对所受的第i个横向力，Fyw1i等于Fyps1L和Fyps1R之和；Fzw1i为第1轮对所受的第i个垂向力，Fzw1i等于Mwg、FzwiL、FzwiR、Fzps1L以及Fzps1R之和；Mxw1i为第1轮对所受的第i个力对x轴的力矩，第i个力依次为Fyps1L、Fyps1R、Mwg、FzwiL、FzwiR、Fzps1L、Fzps1R；Mzw1i为第1轮对所受的第i个力对z轴的力矩，第i个力依次为Fxps1L、Fxps1R、Fyps1L、Fyps1R。
如图8所示，xb1为第1个构架的纵向位移；yb1为第1个构架的横向位移；zb1为第1个构架的垂向位移；αb1为第1个构架的侧滚角；βb1为第1个构架的点头角(点头角是指第i轮对绕y轴的角位移)；γb1为第1个构架的摇头角；Mbg为第1个构架的重量；FxpsiL、FxpsiR(i＝1,2)为作用在第1个构架的左、右一系悬挂纵向力；FypsiL、FypsiR(i＝1,2)为作用在第1个构架的左、右一系悬挂横向力；FzpsiL、FzpsiR(i＝1,2)为作用在第1个构架的左、右一系悬挂垂向力；Fxss1L、Fxss1R为作用在第1个构架的左、右二系悬挂纵向力；Fyss1L、Fyss1R为作用在第1个构架的左、右二系悬挂横向力；Fzss1L、Fzss1R为作用在第1个构架的左、右二系悬挂垂向力。
根据图8的受力示意图，以第1个构架为例，可以得出构架的力及力矩平衡方程：
式(2)中，Fxb1i为第1个构架所受的第i个纵向力，即Fxb1i等于Fxps1L、Fxps1R、Fxps2L、Fxps2R、Fxss1L以及Fxss1R之和；Fyb1i为第1个构架所受的第i个横向力，即Fyb1i等于Fyps1L、Fyps1R、Fyps2L、Fyps2R、Fyss1L以及Fyss1R之和；Fzb1i为第1个构架所受的第i个垂向力，即Fzb1i等于Mbg、Fzps1L、Fzps1R、Fzps2L、Fzps2R、Fzss1L以及Fzss1R之和；Mxb1i为第1个构架所受的第i个力对x轴的力矩，第i个力依次为Fyps1L、Fyps1R、Fyps2L、Fyps2R、Fyss1L、Fyss1R、Mbg、Fzps1L、Fzps1R、Fzps2L、Fzps2R、Fzss1L和Fzss1R；Myb1i为第1个构架所受的第i个力对y轴的力矩，第i个力依次为Fxps1L、Fxps1R、Fxps2L、Fxps2R、Fxss1L、Fxss1R、Mbg、Fzps1L、Fzps1R、Fzps2L、Fzps2R、Fzss1L和Fzss1R；Mzb1i为第1个构架所受的第i个力对z轴的力矩，第i个力依次为Fxps1L、Fxps1R、Fxps2L、Fxps2R、Fxss1L、Fxss1R、Fyps1L、Fyps1R、Fyps2L、Fyps2R、Fyss1L和Fyss1R。
如图9所示，xc为车体的纵向位移；yc为车体的横向位移；zc为车体的垂向位移；αc为车体的侧滚角；βc为车体的点头角；γc为车体的摇头角；Mcg为车体的重量；FxssiL、FxssiR(i＝1,2)为作用在车体的左、右二系悬挂纵向力；FyssiL、FyssiR(i＝1,2)为作用在车体的左、右二系悬挂横向力；FzssiL、FzssiR(i＝1,2)为作用在车体的左、右二系悬挂垂向力。
根据图9所示的受力示意图，可以得出车体的力及力矩平衡方程：
式(3)中，Fxci为车体所受的第i个纵向力，即Fxci等于Fxss1L、Fxss1R、Fxss2L以及Fxss2R之和；Fyci为车体所受的第i个横向力，即Fyci等于Fyss1L、Fyss1R、Fyss2L以及Fyss2R之和；Fzci为车体所受的第i个垂向力，即Fzci等于Mcg、Fzss1L、Fzss1R、Fzss2L以及Fzss2R之和；Mxci为车体所受的第i个力对x轴的力矩，第i个力依次为Fyss1L、Fyss1R、Fyss2L、Fyss2R、Mcg、Fzss1L、Fzss1R、Fzss2L和Fzss2R；Myci为车体所受的第i个力对y轴的力矩，第i个力依次为Fxss1L、Fxss1R、Fxss2L、Fxss2R、Mcg、Fzss1L、Fzss1R、Fzss2L和Fzss2R；Mzci为车体所受的第i个力对z轴的力矩，第i个力依次为Fxss1L、Fxss1R、Fxss2L、Fxss2R、Fyss1L、Fyss1R、Fyss2L和Fyss2R。
轮对、构架和车体的所受到的力(除轮对的FzwiR和FzwiL外)，均可以用xwi,ywi,zwi,αwi,γwi，xb1,yb1,zb1,αb1,βb1,γb1以及xc,yc,zc,αc,βc,γc来表示，因此变量有46个(5*4+6*2+6+2*4＝46)，但轮对的zwi和αwi是由轨道扭曲情况决定的，为已知变量，所以其实未知变量有38个(46-2*4＝38)，而方程组个数也为38，因此可以通过求解方程组(1)-(3)可以得到FzwiL、FzwiR，再根据所得到的FzwiR和FzwiL值，进一步计算轮重减载率，轮重减载率δ的计算公式为：
式(4)中，ΔP为轮重的减载量，P为左右侧车轮的平均轮重，FzwiL、FzwiR为扭曲轨道试验台对转向架轮对的垂向力。
在多体动力学软件的后处理器中提取各个车轮的轮重在抬高前后随时间变化的动态曲线结果，获得各个车轮在抬高前后的轮重变化时域图，如图10所示。从图10可以得出，在抬高前，第1轮对和第2轮对的轮重约为81kN，第3轮对的轮重约为70kN，第4轮对的轮重约为66kN。当作动器的抬高量从0上升至抬高量目标值的过程中(即转向架的轮对在抬高过程中)，第1轮对的轮重下降，第1轮对左轮比第1轮对右轮轮重的下降幅度更大(第1轮对左轮抬高量目标值大于第1轮对右轮抬高量目标值，如图6(a)所示)，第1轮对左轮从81kN下降至约40kN，第1轮对右轮从81kN下降至约70kN，且下降过程接近线性变化；第2轮对的轮重上升，第2轮对右轮比第2轮对左轮轮重的上升幅度更大(第2轮对左轮抬高量目标值大于第2轮对右轮抬高量目标值，如图6(a)所示)，第2轮对左轮从81kN上升至约90kN，第2轮对右轮从81kN上升至约120kN，且上升过程接近线性变化；当抬高量维持在抬高量目标值时，第1轮对和第2轮对的轮重维持稳定。第3轮对和第4轮对的轮重在轮对在抬高过程中发生震荡变化，当抬高量维持在抬高量目标值时，第3轮对和第4轮对的轮重维持稳定，且第3轮对和第4轮的轮重变化幅度比第1轮对和第2轮的轮重变化幅度要小。
如果仿真计算的轮重减载率过大，可以通过修改仿真模型的参数来调整。各部件的参数设置可以参考段亮等提出的《动力学参数对出口铁路客车扭曲试验的影响》来设置对扭曲试验有影响的参数。
本发明还提供一种扭曲轨道试验建模与仿真系统，包括：
拓扑图绘制单元，用于根据试验方案，绘制扭曲轨道试验台的物理拓扑结构图；
动力学模型构建单元，用于基于所述物理拓扑结构图构建扭曲轨道试验台的实物体模型，在所述实物体模型中设置各部件的参数以及各部件之间的相对运动关系，得到扭曲轨道试验台的动力学仿真模型；
曲线获取单元，用于设置所述扭曲轨道试验台动力学仿真模型中每个作动器的抬高目标值以及达到所述抬高目标值的时间，使每个作动器动作，获取每个作动器的抬高量随时间变化曲线；
耦合动力学模型构建单元，用于在所述扭曲轨道试验台的动力学仿真模型基础上，导入需要试验的车辆的动力学仿真模型，并设置车辆与扭曲轨道试验台之间的接触关系，得到车辆-扭曲轨道试验台的耦合动力学模型；
仿真模拟单元，用于根据每个作动器的抬高量随时间变化曲线，使所述耦合动力学模型动作，实现车辆在扭曲轨道上的仿真模拟；
模型验证单元，用于根据轮对、构架以及车体的位置或姿态确定轮对与构架、构架与车体之间的相对位移，根据所述相对位移判断所述耦合动力学模型是否准确，如果否，则进行耦合动力学模型的修正，直到相对位移满足试验方案的要求；
轮重减载计算单元，用于根据轮对所受到的力及力矩平衡方程、构架所受到的力及力矩平衡方程、车体所受到的力及力矩平衡方程得到扭曲轨道试验台对轮对的垂向力，再根据所述垂向力计算得到轮重减载率。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种扭曲轨道试验建模与仿真方法，其特征在于，包括：
步骤1：绘制扭曲轨道试验台的物理拓扑结构图；
步骤2：基于所述物理拓扑结构图，构建扭曲轨道试验台的实物体模型；
步骤3：在所述实物体模型中设置各部件的参数以及各部件之间的相对运动关系，得到扭曲轨道试验台的动力学仿真模型；
步骤4：设置所述扭曲轨道试验台动力学仿真模型中每个作动器的抬高目标值以及达到所述抬高目标值的时间，使每个作动器动作，获取每个作动器的抬高量随时间变化曲线；
步骤5：在所述扭曲轨道试验台的动力学仿真模型基础上，导入需要试验的车辆的动力学仿真模型，并设置车辆与扭曲轨道试验台之间的接触关系，得到车辆-扭曲轨道试验台的耦合动力学模型；
步骤6：根据每个作动器的抬高量随时间变化曲线，使所述耦合动力学模型动作，实现车辆在扭曲轨道上的仿真模拟。
2.如权利要求1所述的一种扭曲轨道试验建模与仿真方法，其特征在于：在所述步骤1之前还包括绘制扭曲轨道试验台的结构示意图的步骤。
3.如权利要求1所述的一种扭曲轨道试验建模与仿真方法，其特征在于：所述扭曲轨道试验台包括多个基本单元，每节车厢对应四个基本单元，每个所述基本单元均包括基座、第一作动器、第二作动器、第一安装座、第二安装座、第一滚轮以及第二滚轮；所述第一安装座通过第一作动器设于所述基座上，所述第二安装座通过第二作动器设于所述基座上；所述第一滚轮、第二滚轮分别设于第一安装座、第二安装座上。
4.如权利要求3所述的一种扭曲轨道试验建模与仿真方法，其特征在于：所述步骤3中，各部件之间的相对运动关系为：基座与大地之间无相对运动，通过第一作动器的控制第一安装座沿Z轴方向运动，通过第二作动器的控制第二安装座沿Z轴方向运动，第一滚轮、第二滚轮分别绕Y轴转动。
5.如权利要求1所述的一种扭曲轨道试验建模与仿真方法，其特征在于：还包括耦合动力学模型验证的步骤，具体过程为：根据轮对、构架以及车体的位置或姿态确定轮对与构架、构架与车体之间的相对位移，根据所述相对位移判断所述耦合动力学模型是否准确，如果否，则进行耦合动力学模型的修正，直到相对位移满足试验方案的要求。
6.如权利要求1-5中任一项所述的一种扭曲轨道试验建模与仿真方法，其特征在于：还包括轮重减载计算的步骤，具体过程为：根据轮对所受到的力及力矩平衡方程、构架所受到的力及力矩平衡方程、车体所受到的力及力矩平衡方程得到扭曲轨道试验台对转向架轮对的垂向力，再根据所述垂向力计算得到轮重减载率。
7.如权利要求6所述的一种扭曲轨道试验建模与仿真方法，其特征在于：所述轮重减载率的计算公式为：
式中，δ为轮重减载率，ΔP为轮重的减载量；P为左右侧车轮的平均轮重；FzwiL、FzwiR为扭曲轨道试验台对转向架轮对的垂向力。
8.一种扭曲轨道试验建模与仿真系统，其特征在于，包括：
拓扑图绘制单元，用于根据试验方案，绘制扭曲轨道试验台的物理拓扑结构图；
动力学模型构建单元，用于基于所述物理拓扑结构图构建扭曲轨道试验台的实物体模型，在所述实物体模型中设置各部件的参数以及各部件之间的相对运动关系，得到扭曲轨道试验台的动力学仿真模型；
曲线获取单元，用于设置所述扭曲轨道试验台动力学仿真模型中每个作动器的抬高目标值以及达到所述抬高目标值的时间，使每个作动器动作，获取每个作动器的抬高量随时间变化曲线；
耦合动力学模型构建单元，用于在所述扭曲轨道试验台的动力学仿真模型基础上，导入需要试验的车辆的动力学仿真模型，并设置车辆与扭曲轨道试验台之间的接触关系，得到车辆-扭曲轨道试验台的耦合动力学模型；
仿真模拟单元，用于根据每个作动器的抬高量随时间变化曲线，使所述耦合动力学模型动作，实现车辆在扭曲轨道上的仿真模拟。
9.如权利要求8所述的一种扭曲轨道试验建模与仿真系统，其特征在于：还包括模型验证单元，用于根据轮对、构架以及车体的位置或姿态确定轮对与构架、构架与车体之间的相对位移，根据所述相对位移判断所述耦合动力学模型是否准确，如果否，则进行耦合动力学模型的修正，直到相对位移满足试验方案的要求。
10.如权利要求8或9所述的一种扭曲轨道试验建模与仿真系统，其特征在于：还包括轮重减载计算单元，用于根据轮对所受到的力及力矩平衡方程、构架所受到的力及力矩平衡方程、车体所受到的力及力矩平衡方程得到扭曲轨道试验台对轮对的垂向力，再根据所述垂向力计算得到轮重减载率。
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