一种悬挂式单轨车辆耦合动力学仿真系统及其仿真方法技术方案

本发明专利技术公开了一种悬挂式单轨车辆动力学模型及其车桥耦合动力仿真方法，属于轨道交通技术领域，其目的在于为解决现有的悬挂式单轨动力学仿真装置在研究轨道梁局部振动时仿真结果误差大的技术问题，通过提供一种悬挂式单轨车辆系统动力学模型、橡胶轮轮轨面接触力学模型，轨道梁底板与腹板等效面力施加方法以及车辆与轨道梁耦合动力学模型的建立方法，构建一种悬挂式单轨车辆与轨道梁的耦合动力仿真系统，该发明专利技术解决了悬挂式单轨车辆系统悬吊机构解耦并等效，现有的悬挂式单轨动力学模型仿真在研究轨道梁局部振动时仿真结果误差大，难以提取轨道梁动应力、动应变结果，无法准确评估轨道梁局部强度破坏等技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种悬挂式单轨车辆耦合动力学仿真系统及其仿真方法
本专利技术属于轨道交通
，涉及一种悬挂式单轨车辆耦合动力学仿真系统及其仿真方法。
技术介绍
悬挂式单轨交通是一种新型的轨道交通系统，它具有爬坡能力强、曲线通过半径小，低成本，低噪声，建设周期短、占地面积少等优点，能满足短距离和中小客流量的运输任务。悬挂式单轨交通适用于大城市公共交通次干线和主干线的延伸线、连接线，中小城市公共交通干线，机场、高铁、城际铁路站到市中心或景区的连接线以及大型自然旅游景区观光线和区内连接线等范围。与传统铁路桥梁、城市轨道交通高架桥相比，悬挂式单轨交通轨道梁断面小，轨道梁垂向和横向刚度较低，车辆导致的轨道梁变形大，以致车辆与轨道梁之间的耦合动力相互作用较强，车辆和轨道梁的振动量级可能出现超标，车辆和轨道梁的长期服役性能将受到较大的影响，因此研究悬挂式单轨车辆与轨道梁间的动力相互作用具有重要意义。高速铁路车桥耦合振动的研究中，通常是将车辆系统离散由关键部件组成的多刚体系统，并基于达朗贝尔原理建立各部件之间的运动关系，桥梁系统通常看成欧拉梁或铁木辛柯梁，由于欧拉梁或铁木辛柯梁有较成熟的理论公式，因此传统的的车辆系统和桥梁系统可在任一编程软件中通过程序代码编写实现车桥耦合振动的仿真分析。但是针对悬挂式单轨轨道梁，其下部为开口结构，不能利用欧拉梁或铁木辛柯梁模拟悬挂式单轨轨道梁，否则会引入较大的计算误差或错误。此外，悬挂式单轨车辆系统模型各部件运动关系较为复杂，将车辆系统等效为哪些部件来研究其动力学行为是一个技术难题，尤其是悬吊梁机构，如何构建吊梁机构的等效模型一直在国内外存在空白。因此，在现有的编程软件中难以准确实现悬挂式单轨车辆和轨道梁间的耦合动力相互作用仿真分析。针对车辆与桥梁间的动力相互作用问题，国内外学者主要通过建立车辆-桥梁耦合动力学模型来对其进行研究，由于悬挂式单轨车辆与轨道梁结构的复杂性，现有的悬挂式单轨车辆与桥梁动力相互作用研究稀少，国内外少数学者基于通用SIMPACK或UM等多刚体动力学软件，建立悬挂式单轨车辆系统动力学模型，同时将轨道梁作为子结构，将其质量、刚度、模态及外形等信息导入到多体动力学软件中，实现直线段车桥耦合动力仿真分析。但是以上研究方法具有一定局限性，在将轨道梁子结构导入到多体动力学软件中，仅仅是将轨道梁低阶或前几阶主要模态信息导入到多体动力学软件中，在这个过程中轨道梁模态存在缺失，一定程度上影响了计算的精度，特别地，悬挂式单轨轨道梁为钢板焊接而成，轮轨相互作用时，轨道梁走行轨或走行板发生较剧烈的振动，多数局部振动为高频振动，由于上述模型导入模态阶数有限，无法真实模拟轨道梁局部高频振动。同时基于SIMPACK或UM等多体动力学软件平台仿真车桥耦合振动的方法难以实现轨道梁动应力、动应变重要动力学参数指标的提取，以及难以模拟列车通过曲线段轨道梁的车桥耦合动力特性。此外，现有各种交通形式的车桥耦合分析方法中，将车轮和轨道接触考虑为单点接触模型，然而悬挂式单轨车辆采用橡胶轮走行，在列车载荷作用下，橡胶轮与轨道梁底板或走形轨接触形状不在是单点接触，而接触区域多为具有一定面积的近似矩形。因此，如果采用单点接触模型来模拟悬挂式单轨车辆与轨道梁之间的动力特性会造成较大的计算误差，尤其在计算轨道梁局部振动、局部应力和车辆过梁缝时的车桥耦合振动特性。因此，悬挂式单轨中，将轮胎和轨道梁底板或走行轨间考虑成面接触更符合实际，但是橡胶轮面接触轮轨模型以及面载荷怎样合理施加到轨道梁上的研究在国内外还是空白。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：为解决现有的悬挂式单轨动力学仿真装置在研究轨道梁局部振动时仿真结果误差大的技术问题，提供一种悬挂式单轨车辆耦合动力学仿真系统及其仿真方法。本专利技术采用的技术方案如下：一种悬挂式单轨车辆耦合动力学仿真系统，包括轨道梁、设置在轨道梁内的转向架，转向架左、右两侧均分别通过导向轮面接触模型、走行轮面接触模型与轨道梁的轨道梁腹板、轨道梁的轨道梁底板连接；转向架内设置有摇枕，摇枕左、右两侧均分别通过二系悬挂横向弹簧-阻尼模型、二系悬挂垂向弹簧-阻尼模型与转向架的转向腹板、转向底板连接；摇枕底面连接有中心销，中心销的另一端依次穿出转向架、轨道梁后与位于轨道梁下方的车体连接。该仿真系统还设置有悬吊机构模型，中心销通过悬吊机构模型与车体连接。该悬吊机构模型包括呈“八”字形镜像设置的两组斜拉弹簧模型，左侧斜拉弹簧模型的A点、C点分别与中心销底部左侧、车体顶部左侧连接，右侧斜拉弹簧模型的B点、D点分别与中心销底部右侧、车体顶部右侧连接；每组斜拉弹簧模型外均套设有拉杆套筒，每组拉杆套筒靠近C点或D点的一端均通过第一弹性止档模型与车体顶部连接，中心销底部与车体顶部之间还连接有第一横向减振器等效模型。该仿真系统的导向轮面接触模型、走行轮面接触模型、二系悬挂横向弹簧-阻尼模型、二系悬挂垂向弹簧-阻尼模型均包括平行设置的第二弹性止档模型、第二横向减振器等效模型，导向轮面接触模型的第二弹性止档模型、第二横向减振器等效模型的两端与走行轮面接触模型的第二弹性止档模型、第二横向减振器等效模型的两端均分别与转向架、轨道梁接触，二系悬挂横向弹簧-阻尼模型的第二弹性止档模型、第二横向减振器等效模型的两端与与二系悬挂垂向弹簧-阻尼模型的第二弹性止档模型、第二横向减振器等效模型的两端均分别与摇枕、转向架接触。一种悬挂式单轨车辆耦合动力学仿真方法，包括如下步骤：S1，构建耦合动力学仿真系统；S2，设定积分步长，并读取耦合动力学仿真系统的轨道梁走行轨面和导向轨面的随机不平顺、地震载荷、耦合动力学仿真系统的轨道梁遭受的随机风载荷以及耦合动力学仿真系统的车辆系统遭受的随机风载荷；在设定积分步长时，应将积分步长设定为较小值，从而通过该方法可获得较好的车桥耦合振动分析结果。S3，利用步骤S2中读取的数据，预设耦合动力学仿真系统的车辆动力学模型中的各橡胶轮轮轨面接触力，并将各橡胶轮轮轨面接触力等效为离散集中载荷，并施加到轨道梁动力学模型中，利用隐式积分算法对耦合动力学仿真系统的轨道梁动力学模型进行动力仿真计算，获得轨道梁动力学模型的动力学指标响应结果。该轨道梁动力学模型的动力学指标响应结果包括轨道梁的动态挠度、振动加速度、动应力以及动应变等参数。S4，利用步骤S2中读取的数据以及将步骤S3计算得到的轨道梁的动态挠度带入到耦合动力学仿真系统的车辆系统动力学模型中，采用快速显示积分算法对车辆系统动力学模型进行求解，并得到车辆动力学模型中的橡胶轮轮轨面接触力以及各部件的动力学指标响应结果。该车辆动力学模型各部件的动力学指标响应结果包括各部件的振动加速度、振动速度、振动位移等参数。S5，分析车辆动力学模型各部件的动力学指标响应结果和轨道梁的动力学指标响应结果，判断车辆是否始出计算范围；S6，若车辆未始出计算范围，将步骤S5得到的车辆动力学模型中的橡胶轮轮轨面接触力作为预设的橡胶轮轮轨面接触力，并代入步骤S3中，进行循环计算、分析、判断；若车辆始出计算范围，本次模拟完成，记录仿真结果。在步骤S1中，耦合动力学仿真系统包括轨道梁、设置在轨道梁内的转向架，转向架左、右两侧均分别通过导向轮面接触模型、走行轮面接触模型与轨道梁的轨道梁腹板、轨道梁的轨道梁底板连接；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种悬挂式单轨车辆耦合动力学仿真系统，其特征在于：包括轨道梁(6)、设置在轨道梁(6)内的转向架(2)，转向架(2)左、右两侧均分别通过导向轮面接触模型(21)、走行轮面接触模型(22)与轨道梁(6)的轨道梁腹板、轨道梁(6)的轨道梁底板连接；转向架(2)内设置有摇枕(3)，摇枕(3)左、右两侧均分别通过二系悬挂横向弹簧‑阻尼模型(7)、二系悬挂垂向弹簧‑阻尼模型(8)与转向架(2)的转向腹板、转向底板连接；摇枕(3)底面连接有中心销(4)，中心销(4)的另一端依次穿出转向架(2)、轨道梁(6)后与位于轨道梁(6)下方的车体(1)连接。

【技术特征摘要】
1.一种悬挂式单轨车辆耦合动力学仿真系统，其特征在于：包括轨道梁(6)、设置在轨道梁(6)内的转向架(2)，转向架(2)左、右两侧均分别通过导向轮面接触模型(21)、走行轮面接触模型(22)与轨道梁(6)的轨道梁腹板、轨道梁(6)的轨道梁底板连接；转向架(2)内设置有摇枕(3)，摇枕(3)左、右两侧均分别通过二系悬挂横向弹簧-阻尼模型(7)、二系悬挂垂向弹簧-阻尼模型(8)与转向架(2)的转向腹板、转向底板连接；摇枕(3)底面连接有中心销(4)，中心销(4)的另一端依次穿出转向架(2)、轨道梁(6)后与位于轨道梁(6)下方的车体(1)连接。2.如权利要求1所述的一种悬挂式单轨车辆耦合动力学仿真系统，其特征在于：还设置有悬吊机构模型(5)，中心销(4)通过悬吊机构模型(5)与车体(1)连接。3.如权利要求2所述的一种悬挂式单轨车辆耦合动力学仿真系统，其特征在于：悬吊机构模型(5)包括呈“八”字形镜像设置的两组斜拉弹簧模型(51)，左侧斜拉弹簧模型(51)的A点、C点分别与中心销(4)底部左侧、车体(1)顶部左侧连接，右侧斜拉弹簧模型(51)的B点、D点分别与中心销(4)底部右侧、车体(1)顶部右侧连接；每组斜拉弹簧模型(51)外均套设有拉杆套筒(54)，每组拉杆套筒(54)靠近C点或D点的一端均通过第一弹性止档模型(53)与车体(1)顶部连接，中心销(4)底部与车体(1)顶部之间还连接有第一横向减振器等效模型(52)。4.如权利要求1所述的一种悬挂式单轨车辆耦合动力学仿真系统，其特征在于：导向轮面接触模型(21)、走行轮面接触模型(22)、二系悬挂横向弹簧-阻尼模型(7)、二系悬挂垂向弹簧-阻尼模型(8)均包括平行设置的第二弹性止档模型、第二横向减振器等效模型，导向轮面接触模型(21)的第二弹性止档模型、第二横向减振器等效模型的两端与走行轮面接触模型(22)的第二弹性止档模型、第二横向减振器等效模型的两端均分别与转向架(2)、轨道梁(6)接触，二系悬挂横向弹簧-阻尼模型(7)的第二弹性止档模型、第二横向减振器等效模型的两端与与二系悬挂垂向弹簧-阻尼模型(8)的第二弹性止档模型、第二横向减振器等效模型的两端均分别与摇枕(3)、转向架(2)接触。5.一种悬挂式单轨车辆耦合动力学仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，构建耦合动力学仿真系统；S2，设定积分步长，并读取耦合动力学仿真系统的轨道梁走行轨面和导向轨面的随机不平顺、地震载荷、耦合动力学仿真系统的轨道梁遭受的随机风载荷以及耦合动力学仿真系统的车辆系统遭受的随机风载荷；S3，利用步骤S2中读取的数据，预设耦合动力学仿真系统的车辆动力学模型中的各橡胶轮轮轨面接触力，并将各橡胶轮轮轨面接触力等效为离散集中载荷，并施加到轨道梁动力学模型中，利用隐式积分算法对耦合动力学仿真系统的轨道梁动力学模型进行动力仿真计算，获得包括轨道梁的动态挠度在内的动力学指标响应结果；S4，利用步骤S2中读取的数据以及将步骤S3计算得到的轨道梁的动态挠度带入到耦合动力学仿真系统的车辆系统动力学模型中，采用快速显示积分算法对车辆系统动力学模型进行求解，并得到车辆动力学模型中的橡胶轮轮轨面接触力以及各部件的动力学指标响应结果；S5，分析车辆动力学模型各部件的动力学指标响应结果和轨道梁的动力学指标响应结果，判断车辆是否始出计算范围；S6，若车辆未始出计算范围，将步骤S5得到的车辆动力学模型中的橡胶轮轮轨面接触力作为预设的橡胶轮轮轨面接触力，并代入步骤S3中，进行循环计算、分析、判断；若车辆始出计算范围，本次模拟完成，记录仿真结果。6.如权利要求5所示的一种悬挂式单轨车辆耦合动力学仿真方法，其特征在于，步骤S1中，耦合动力学仿真系统包括轨道梁(6)、设置在轨道梁(6)内的转向架(2)，转向架(2)左、右两侧均分别通过导向轮面接触模型(21)、走行轮面接触模型(22)与轨道梁(6)的轨道梁腹板、轨道梁(6)的轨道梁底板连接；转向架(2)内设置有摇枕(3)，摇枕(3)左、右两侧均分别通过二系悬挂横向弹簧-阻尼模型(7)、二系悬挂垂向弹簧-阻尼模型(8)与转向架(2)的转向腹板、转向底板连接；摇枕(3)底面连接有中心销(4)，中心销(4)的另一端依次穿出转向架(2)、轨道梁(6)后与位于轨道梁(6)下方的车体(1)连接。7.如权利要求6所示的一种悬挂式单轨车辆耦合动力学仿真方法，其特征在于，耦合动力学仿真系统中，二系悬挂横向弹簧-阻尼模型(7)的横向力方程为：二系悬挂垂向弹簧-阻尼模型(8)的纵向力方程为：车体(1)的垂向运动方程为：车体(1)的点头运动方程为:车体(1)的横向运动方程为:车体(1)的侧滚运动方程为:车体(1)的摇头运动方程为:中心销(4)与摇枕(3)组成的共同体的垂向运动方程为：中心销(4)与摇枕(3)组成的的横向运动方程为：中心销(4)与摇枕(3)组成的的侧滚运动方程为：转向架(2)的垂向运动方程：转向架(2)的点头运动方程：转向架(2)的横向运动方程：转向架(2)的侧滚运动方程：转向架(2)的摇头运动方程：其中，Zci、Zti1、Zti2、Zhi1、Zhi2分别为第i节车车体垂向位移，前转向架垂向位移，后转向架垂向位移，前中心销垂向位移，后中心销垂向位移；Yci、Yti1、Yti2、Yhi1、Yhi2分别为第i节车车体横向位移，前转向架横向位移，后转向架横向位移，前中心销横向位移，后中心销横向位移；φci、φti1、φti2、φhi1、φhi2分别为第i节车车体侧滚角，前转向架侧滚角，后转向架侧滚角，前中心销侧滚角，后中心销侧滚角；ψci、ψ...

【专利技术属性】
技术研发人员：何庆烈，蔡成标，朱胜阳，翟婉明，王明昃，尹镪，陈兆玮，张嘉伟，杨尚福，徐翔，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51