CN114970220B - 一种模块化多制式靴轨仿真模型搭建方法 - Google Patents

一种模块化多制式靴轨仿真模型搭建方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种模块化多制式靴轨仿真模型搭建方法，包括以下步骤：根据接触轨参数构建接触轨基础模型；根据集电靴参数构建集电靴基础模型；集电靴基础模型放置于接触轨基础模型的上，并附加静态接触力，构建靴轨模型；将靴轨模型置于绝对坐标系内，绝对坐标系的X轴为接触轨长度方向，Y轴为接触轨截面水平方向，Z轴为接触轨截面的高度方向；将设计参数附加至靴轨模型中；确定授流制式，并将线路工况参数和自重参数附加至靴轨模型中，完成靴轨仿真模型的搭建。本发明利用接触轨轨面方向与重力方向的相对视角，将重力方向作为主控要素，同时适配上部接触、下部接触、侧部接触、四轨接触工况，显著提高仿真适配性，降低对比验证时长。

Description

一种模块化多制式靴轨仿真模型搭建方法
技术领域
本发明属于轨道交通靴轨动态仿真领域，特别涉及一种模块化多制式靴轨仿真模型搭建方法。
背景技术
基于在城市景观化、维修便捷以及雷电防护安全等方面的优势条件，城市轨道交通与市域轨道交通在接触轨授流方向仍具有重要的发展意义，靴轨授流包含上部接触、下部接触、侧部接触、四轨接触的四种制式，这四种制式均有工程实施案例，靴轨动态仿真对精细化设计、状态化维修具有重要指导意义。
在上部接触靴轨授流中，接触轨主截面方向与自重方向相反；在下部接触靴轨授流中，接触轨主截面方向与自重方向相同；在侧部接触靴轨授流中，接触轨主截面方向与自重方向垂直；在侧部接触靴轨授流的上部增加一套相同的侧部接触轨靴轨授流形成四轨接触靴轨授流，接触轨主截面方向与自重方向垂直。现有国内外靴轨动态仿真对上述四种授流模型采用单独建模方式，单独建模存在效率低下，兼容性差，对比验证耗时长的劣势。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种模块化多制式靴轨仿真模型搭建方法，利用接触轨轨面方向与重力方向的相对视角，将重力方向作为主控要素，同时适配上部接触、下部接触、侧部接触、四轨接触工况，显著提高仿真适配性，降低对比验证时长。
本发明采用的技术方案是：一种模块化多制式靴轨仿真模型搭建方法，包括以下步骤：
步骤1：根据接触轨参数构建接触轨基础模型；根据集电靴参数构建集电靴基础模型；
步骤2：集电靴基础模型放置于接触轨基础模型的上，并附加静态接触力，使接触轨与集电靴形成耦合，构建靴轨模型；
步骤3：将靴轨模型置于绝对坐标系XYZ内，绝对坐标系XYZ的X轴为接触轨长度方向，Y轴为接触轨截面水平方向，Z轴为接触轨截面的高度方向；
步骤4：将设计参数附加至靴轨模型中，
设计参数包括跨距、接触轨安装高度和接触轨距离线路中心距离，多个跨距的接触轨长度方向与X轴方向匹配，接触轨安装高度方向与Z轴方向匹配，接触轨距离线路中心距离方向与Y轴方向匹配；
步骤5：获取线路工况参数和自重参数，并构建相对坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；线路工况参数包括平面曲线
Figure 119192DEST_PATH_IMAGE002
和竖曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，自重参数为由重力加速度g=9.8m/s2形成的均布力系
Figure 200281DEST_PATH_IMAGE004
；
确定授流制式，所述授流制式包括上部授流制式、下部授流制式、侧部授流制式和四轨授流制式；
根据授流制式，确定相对坐标系
Figure 439239DEST_PATH_IMAGE001
和绝对坐标系XYZ的匹配关系，并根据匹配关系将线路工况参数和自重参数附加至靴轨模型中，实现绝对坐标系XYZ内的靴轨模型与不同授流制式的适配；完成靴轨仿真模型的搭建。
进一步的，上部授流制式时：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
与XOY平面匹配，
Figure 263975DEST_PATH_IMAGE006
平面与YOZ平面匹配，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
与-Z轴匹配；
下部授流制式时：
Figure 366929DEST_PATH_IMAGE005
与XOY平面匹配，
Figure 759865DEST_PATH_IMAGE006
平面与YOZ平面匹配，
Figure 754628DEST_PATH_IMAGE007
与Z轴匹配；
侧部授流制式时：
Figure 445372DEST_PATH_IMAGE008
平面与XOY平面匹配，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
平面与YOZ平面匹配，
Figure 543778DEST_PATH_IMAGE010
与Y轴匹配；
四轨授流制式时：
Figure 29703DEST_PATH_IMAGE008
平面与XOY平面匹配，
Figure 744718DEST_PATH_IMAGE009
平面与YOZ平面匹配，
Figure 707995DEST_PATH_IMAGE010
与Y轴匹配，施加两个g。
进一步的，接触轨参数包括截面长度参数，截面惯性矩参数、杨氏模量和密度；集电靴参数包括三质量块运动模型、滑板质量、摆臂弹簧刚度和摆臂弹簧阻尼。
进一步的，静态接触力为施加在集电靴基础模型的滑板上的力，通过滑板与接触轨基础模型接触传递给接触轨基础模型。
工作原理：靴轨模型是在绝对坐标系下，线路和重力在相对坐标系下，通过相对坐标系与绝对坐标系的匹配关系，调整重力设置方向和线路设置方向，实现线路、重力、集电靴、接触轨同一套设置满足不同授流制式工况的仿真功能。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
1.本发明采用一套集电靴、接触轨、平面设置、重力设置即可完成多种制式的计算，具有高度的模型统一性，保证一致的计算精度，为自主开发软件国际认证提供了技术支撑。
2.本发明采用集电靴、接触轨固定在世界坐标系，平面设置、重力设置固定在相对坐标系的方法，简化建模流程，提高建模和仿真效率。
3.本发明通过设置世界坐标系和相对坐标系的对应准则，满足不同制式的仿真需求，极大改善了单独建模存在效率低下，兼容性差，对比验证耗时长的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图；
图2为本发明实施例的三质量块运动模型示意图；
图3为本发明实施例的上部授流制式的仿真模型；
图4为本发明实施例的实际结构的下部授流制式的仿真模型；
图5为本发明实施例的调整后的下部授流制式的仿真模型；
图6为本发明实施例的实际结构的侧部授流制式的仿真模型；
图7为本发明实施例的调整后的侧部授流制式的仿真模型；
图8为本发明实施例的实际结构的四轨授流制式的仿真模型；
图9为本发明实施例的调整后的四轨授流制式的仿真模型。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
本发明的实施例提供了一种模块化多制式靴轨仿真模型搭建方法，如图1所示，其包括以下步骤：
步骤1：根据接触轨参数构建接触轨基础模型；接触轨参数包括截面长度参数，截面惯性矩参数、杨氏模量和密度。
根据集电靴参数构建集电靴基础模型；集电靴参数包括三质量块运动模型、滑板质量、摆臂弹簧刚度和摆臂弹簧阻尼。三质量块运动模型如图2所示，三质量块分别是滑板、上摆臂和下摆臂。
步骤2：集电靴基础模型放置于接触轨基础模型的上，并附加静态接触力，使接触轨与集电靴形成耦合，构建靴轨模型；静态接触力为施加在集电靴基础模型的滑板上的力，通过滑板与接触轨基础模型接触传递给接触轨基础模型。
步骤3：将靴轨模型置于绝对坐标系XYZ内，绝对坐标系XYZ的X轴为接触轨长度方向，Y轴为接触轨截面水平方向，Z轴为接触轨截面的高度方向。
步骤4：将设计参数附加至靴轨模型中。设计参数包括跨距、接触轨安装高度和接触轨距离线路中心距离。设计参数属于绝对坐标系成员，可以直接匹配至绝对坐标系中。设计参数直接得到不同根接触轨的相对位置信息。多个跨距的接触轨长度方向与X轴方向匹配，接触轨安装高度方向与Z轴方向匹配，接触轨距离线路中心距离方向与Y轴方向匹配。
步骤5：获取线路工况参数和自重参数，并构建相对坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE011
；线路工况参数包括平面曲线
Figure 395328DEST_PATH_IMAGE012
和竖曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，自重参数为由重力加速度g=9.8m/s2形成的均布力系
Figure 490586DEST_PATH_IMAGE014
；
确定授流制式，所述授流制式包括上部授流制式、下部授流制式、侧部授流制式和四轨授流制式，对应上部接触、下部接触、侧部接触和四轨接触四种工况。
根据授流制式，确定相对坐标系
Figure 427318DEST_PATH_IMAGE011
和绝对坐标系XYZ的匹配关系，并根据匹配关系将线路工况参数和自重参数附加至靴轨模型中，实现绝对坐标系XYZ内的靴轨模型与不同授流制式的适配；完成靴轨仿真模型的搭建。
不同的授流制式，采用不同的匹配关系，具体的：
上部授流制式时：实际结构中，接触轨基础模型位于集电靴基础模型上方，如图3所示；将其转换至绝对坐标系中，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
与XOY平面匹配，
Figure 397548DEST_PATH_IMAGE016
平面与YOZ平面匹配，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
与-Z轴匹配，施加一个g，仿真模型不变。
下部授流制式时：实际结构中，接触轨基础模型位于集电靴基础模型下方，如图4所示；将其转换至绝对坐标系中，
Figure 204967DEST_PATH_IMAGE015
与XOY平面匹配，
Figure 999354DEST_PATH_IMAGE016
平面与YOZ平面匹配，
Figure 688961DEST_PATH_IMAGE017
与Z轴匹配，施加一个g，如图5所示。
侧部授流制式时：实际结构中，接触轨基础模型位于集电靴基础模型侧面，如图6所示；将其转换至绝对坐标系中，
Figure 603828DEST_PATH_IMAGE018
平面与XOY平面匹配，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
平面与YOZ平面匹配，
Figure 390387DEST_PATH_IMAGE020
与Y轴匹配，施加一个g，如图7所示。
四轨授流制式时：实际结构中，接触轨基础模型位于集电靴基础模型侧面，如图8所示；将其转换至绝对坐标系中，
Figure 732507DEST_PATH_IMAGE018
平面与XOY平面匹配，
Figure 410875DEST_PATH_IMAGE019
平面与YOZ平面匹配，
Figure 988487DEST_PATH_IMAGE020
与Y轴匹配，施加两个g，如图9所示。
接触轨与集电靴之间通过静态接触力耦合，因接触轨与集电靴之间的运动为摩擦接触运动，在仿真模型中采用摩擦接触单元进行模拟耦合，例如：在计算机软件ANSYS中摩擦接触单元采用contact175单元。
以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。

Claims (3)

1.一种模块化多制式靴轨仿真模型搭建方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据接触轨参数构建接触轨基础模型；根据集电靴参数构建集电靴基础模型；
步骤2：集电靴基础模型放置于接触轨基础模型的上，并附加静态接触力，使接触轨与集电靴形成耦合，构建靴轨模型；
步骤3：将靴轨模型置于绝对坐标系XYZ内，绝对坐标系XYZ的X轴为接触轨长度方向，Y轴为接触轨截面水平方向，Z轴为接触轨截面的高度方向；
步骤4：将设计参数附加至靴轨模型中，
设计参数包括跨距、接触轨安装高度和接触轨距离线路中心距离，多个跨距的接触轨长度方向与X轴方向匹配，接触轨安装高度方向与Z轴方向匹配，接触轨距离线路中心距离方向与Y轴方向匹配；
步骤5：获取线路工况参数和自重参数，并构建相对坐标系
Figure 983879DEST_PATH_IMAGE001
；线路工况参数包括平面曲线
Figure 941471DEST_PATH_IMAGE002
和竖曲线
Figure 881745DEST_PATH_IMAGE003
，自重参数为由重力加速度g形成的均布力系
Figure 608393DEST_PATH_IMAGE004
；
确定授流制式，所述授流制式包括上部授流制式、下部授流制式、侧部授流制式和四轨授流制式；
根据授流制式，确定相对坐标系
Figure 241499DEST_PATH_IMAGE001
和绝对坐标系XYZ的匹配关系，并根据匹配关系将线路工况参数和自重参数附加至靴轨模型中，实现绝对坐标系XYZ内的靴轨模型与不同授流制式的适配；完成靴轨仿真模型的搭建；
上部授流制式时：
Figure 152299DEST_PATH_IMAGE005
与XOY平面匹配，
Figure 896264DEST_PATH_IMAGE006
平面与YOZ平面匹配，
Figure 742997DEST_PATH_IMAGE004
与-Z轴匹配；
下部授流制式时：
Figure 281426DEST_PATH_IMAGE005
与XOY平面匹配，
Figure 213610DEST_PATH_IMAGE006
平面与YOZ平面匹配，
Figure 495687DEST_PATH_IMAGE004
与Z轴匹配；
侧部授流制式时：
Figure 462506DEST_PATH_IMAGE007
平面与XOY平面匹配，
Figure 437415DEST_PATH_IMAGE008
平面与YOZ平面匹配，
Figure 591316DEST_PATH_IMAGE004
与Y轴匹配；
四轨授流制式时：
Figure 677083DEST_PATH_IMAGE007
平面与XOY平面匹配，
Figure 498409DEST_PATH_IMAGE008
平面与YOZ平面匹配，
Figure 635430DEST_PATH_IMAGE004
与Y轴匹配，施加两个g。
2.如权利要求1所述的模块化多制式靴轨仿真模型搭建方法，其特征在于：接触轨参数包括截面长度参数，截面惯性矩参数、杨氏模量和密度；集电靴参数包括三质量块运动模型、滑板质量、摆臂弹簧刚度和摆臂弹簧阻尼。
3.如权利要求1所述的模块化多制式靴轨仿真模型搭建方法，其特征在于：静态接触力为施加在集电靴基础模型的滑板上的力，通过滑板与接触轨基础模型接触传递给接触轨基础模型。
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