一种高速铁路弓-网-车-轨垂向耦合大系统动力学建模仿真方法技术方案

本发明专利技术公开了一种了高速铁路弓-网-车-轨垂向耦合大系统动力学建模仿真方法，分别建立接触网、弓-车、轨道三个系统独立的动力学模型及相互之间的接触模型，并提出一种耦合积分算法实现高速铁路弓-网-车-轨大系统的耦合动力学仿真计算。与传统方法相比，本发明专利技术能够考虑弓网和车轨两系统之间的双向交互影响规律，仿真计算更加符合实际，能够提高后续工程设计的精确性和安全性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电动车辆的电源线路或沿路轨的装置，尤其是架空线及其所用附件的动力学建模仿真

技术介绍
高速铁路弓网动力学行为与轮轨动力学行为都是目前的研究热点，前者决定了列车的电能传输效率，后者更是决定了列车的安全运行，两者都是决定列车最高运行速度的关键因素。数值仿真方法是在研究弓网动态行为与轮轨动力学行为以及设计其关键参数的重要途径，但是，以往的模型中大多都是将其进行分开独立进行建模仿真的，两者之间的相互影响关系常常被忽略，近年来，一些学者考虑了车轨振动对弓网的单方面影响，比如翟婉明等人在期刊《铁道学报》1998年20卷第1期32-38页的论文《机车—轨道耦合振动对受电弓—接触网系统动力学的影响》中，分别建立了车轨和弓网两个模型，将车轨的振动响应施加到弓网，实现了单方面的动力学耦合。目前为止，还没有网-弓-车-轨大系统的耦合模型的相关报道，弓网与轮轨二者之间的双向耦合关系尚未被考虑。本专利技术的目的在于提出一种高速铁路弓-网-车-轨大系统垂向耦合动力学建模方法，分别建立接触网、弓-车、轨道三个系统独立的动力学模型及相互之间的接触模型，并提出一种耦合积分算法实现高速铁路弓-网-车-轨大系统的耦合动力学仿真计算。本专利技术能够考虑弓网和车轨两系统之间的交互影响规律，仿真计算更加精确，能够提高后续工程设计的精确性和安全性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种高速铁路弓-网-车-轨大系统垂向耦合动力学建模方法，分别建立接触网、弓-车、轨道三个系统独立的动力学模型及相互之间的接触模型，并提出一种耦合积分算法实现高速铁路弓-网-车-轨大系统的耦合动力学仿真计算。使之能够进行高速铁路受电弓-接触网-车体-轨道垂向耦合大系统建模仿真，能够反映弓网与车轨之间的相互耦合作用，能够同时考虑弓网接触、轮轨接触以及吊弦不同工作状态等不光滑非线性特性。本专利技术实现专利技术目的的具体手段为：一种高速铁路弓-网-车-轨垂向耦合大系统动力学建模仿真方法，在同时考虑弓网接触、轮轨接触以及吊弦不同工作状态等不光滑非线性特性等影响因素的情况下进行高速铁路受电弓-接触网-车体-轨道垂向耦合大系统建模仿真，以反映弓网与车轨之间的相互耦合作用，包括如下具体步骤：1)、分别建立接触网、弓-车、轨道动力学模型；步骤1.采用有限元方法建立接触网动力学模型，其动力学方程可表示为：MCX··C(t)+CCX·C(t)+KC(t)XC(t)=FC(x,t)]]>其中，MC、CC、KC分别为接触网质量、阻尼、刚度矩阵，XC(t)分别为接触网加速度、速度、位移矩阵，FC(x,t)为外界激励；步骤2.采用模态分别法建立轨道动力学模型，其动力学方程可表示为：MTX··T(t)+CTX·T(t)+KTXT(t)=FT(t)]]>其中，MT、CT、KT分别为轨道质量、阻尼、刚度矩阵，XT(t)分别为轨道加速度、速度、位移矩阵，FT(t)为外界激励；步骤3.采用多体动力学方法建立受电弓-车体动力学模型，其动力学方程可表示为：MVX··V(t)+CVX·V(t)+KVXV(t)=FV(t)]]>其中，MV、CV、KV分别为弓-车质量、阻尼、刚度矩阵，XV(t)分别为弓-车加速度、速度、位移矩阵，FV(t)为外界激励；2)、分别构建弓网、车轨接触模型步骤1.采用罚函数方法构建弓网接触模型：fc(t)=KS(y1(t)-yc(t))y1(t)≥yc(t)0y1(t)<yc(t)]]>其中，KS为弓网接触刚度，y1(t)受电弓弓头位移，yc(t)为接触线接触点垂向位移，fc(t)为弓网接触力，步骤2.根据赫兹理论构建轮轨接触模型：fwj(t)={1G[wr(xwj,t)-Zwj(t)-w0(t)]本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速铁路弓‑网‑车‑轨垂向耦合大系统动力学建模仿真方法，在同时考虑弓网接触、轮轨接触以及吊弦不同工作状态等不光滑非线性特性等影响因素的情况下进行高速铁路受电弓‑接触网‑车体‑轨道垂向耦合大系统建模仿真，以反映弓网与车轨之间的相互耦合作用，包括如下具体步骤：1)、分别建立接触网、弓‑车、轨道动力学模型；步骤1.采用有限元方法建立接触网动力学模型，其动力学方程可表示为：MCX··C(t)+CCX·C(t)+KC(t)XC(t)=FC(x,t)]]>其中，MC、CC、KC分别为接触网质量、阻尼、刚度矩阵，分别为接触网加速度、速度、位移矩阵，FC(x,t)为外界激励；步骤2.采用模态分别法建立轨道动力学模型，其动力学方程可表示为：MTX··T(t)+CTX·T(t)+KTXT(t)=FT(t)]]>其中，MT、CT、KT分别为轨道质量、阻尼、刚度矩阵，分别为轨道加速度、速度、位移矩阵，FT(t)为外界激励；步骤3.采用多体动力学方法建立受电弓‑车体动力学模型，其动力学方程可表示为：MVX··V(t)+CVX·V(t)+KVXV(t)=FV(t)]]>其中，MV、CV、KV分别为弓‑车质量、阻尼、刚度矩阵，分别为弓‑车加速度、速度、位移矩阵，FV(t)为外界激励；2)、分别构建弓网、车轨接触模型步骤1.采用罚函数方法构建弓网接触模型：fc(t)=KS(y1(t)-yc(t))y1(t)≥yc(t)0y1(t)<yc(t)]]>其中，KS为弓网接触刚度，y1(t)受电弓弓头位移，yc(t)为接触线接触点垂向位移，fc(t)为弓网接触力，步骤2.根据赫兹理论构建轮轨接触模型：fwj(t)={1G[wr(xwj,t)-Zwj(t)-w0(t)]}1.5wr(xwj,t)-Zwj(t)-w0(t)≥00wr(xwj,t)-Zwj(t)-w0(t)<0]]>其中G为赫兹常数，fwj(t)为第j个车轮与轨道的接触力；wr(xwj,t)为第j个车轮的垂向位移，Zwj(t)为第j个车轮的垂向位移；w0(t)为轨道静态不平顺；3)、通过数值求解方法对弓‑网‑车‑轨复杂耦合动力学系统进行求解，在每个时间步内的迭代算法如下：(1)根据车辆运行速度和当前时刻确定弓网和轮轨的接触点；(2)通过轮轨接触模型计算车轨之间作用力fwj(t)；(3)采用弓网耦合模型耦合网‑弓‑车系统，并将轮轨力施加到弓‑网‑车系统中计算接触网响应XC(t)和受电弓‑车体响应XV(t)；(4)根据车体响应XV(t)与轮轨接触模型更新车轨之间作用力fwj(t)；(5)将车轨作用力施加到轨道模型，计算轨道响应XT(t)，并判断收敛性，如果满足则进入下一时间步，如不满足则返回步骤(2)；4)、将以上仿真结果输入至显示或后续处理设备。...

【技术特征摘要】
1.一种高速铁路弓-网-车-轨垂向耦合大系统动力学建模仿真方法，在同时考虑弓网接触、轮轨接触以及
吊弦不同工作状态等不光滑非线性特性等影响因素的情况下进行高速铁路受电弓-接触网-车体-轨道垂向
耦合大系统建模仿真，以反映弓网与车轨之间的相互耦合作用，包括如下具体步骤：
1)、分别建立接触网、弓-车、轨道动力学模型；
步骤1.采用有限元方法建立接触网动力学模型，其动力学方程可表示为：
MCX··C(t)+CCX·C(t)+KC(t)XC(t)=FC(x,t)]]>其中，MC、CC、KC分别为接触网质量、阻尼、刚度矩阵，分别为接触网加
速度、速度、位移矩阵，FC(x,t)为外界激励；
步骤2.采用模态分别法建立轨道动力学模型，其动力学方程可表示为：
MTX··T(t)+CTX·T(t)+KTXT(t)=FT(t)]]>其中，MT、CT、KT分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志刚，宋洋，段甫川，韩志伟，张静，
申请(专利权)人：西南交通大学，中国铁路总公司，
类型：发明
国别省市：四川;51