专利名称：铁路轨道系统动态性能可视化仿真方法
技术领域：
本发明涉及一种振动系统可视化仿真方法，尤其涉及铁路轨道系统动态性 能可视化仿真方法。
背景技术：
在动力学视景仿真系统中，除了要准确描述各对象的几何关系外，同时还 需要实现各对象按其行为规律以令人信服的方法进行运动，行为仿真的逼真性 直接影响到分析人员对系统振动行为的直观认识和判定。
轨道是行车的基础，它的作用是引导机车车辆平稳安全运行，直接承受由 车轮传来的荷载，并把它传递给路基或桥隧等建筑物。从横截面看，传统的轨 道结构自上而下由钢轨、轨枕、碎石道床等力学性能不同的材料组成，钢轨和 轨枕用扣件联结成轨排浮铺于道床上。因此，轨道的结构组成特点是组合性和 散体性。此外，从轨道平面看，轨道结构属于典型的长大工程结构物。轨道载 荷具有重复性和随机性的特点。对轨道某一断面而言，车轮由远处而来、接近、 离开，将车辆自重传递给钢轨及轨下基础，使线路发生沉陷、变形，形成一条 以车轮和钢轨接触点为中心的位移变形曲线，钢轨及轨下基础承受由小到大再 变小的载荷作用，并激起线路各部分振动。列车车轮依次通过该断面，轮群对 线路该断面的载荷还具有周期性，轨道在列车轮群周期性载荷作用下作强迫振 动。列车在轨道上运行时，由于客观存在的轨道不平顺、车轮不平顺、车辆蛇 行运动等不确定因素，使轮轨系统的振动和冲击作用具有随机性。由于轨道结 构的复杂性和轨道载荷的重复性和随机性，对轨道系统动力学的可视化仿真就 显得尤其艰难。
在机车车辆一轨道耦合动力学视景仿真系统中，有关车辆子系统振动行为的动态模拟技术已经发展地比较成熟，对于轨道系统，由于其结构特殊、振动 行为复杂，到目前为止，尚未开展比较详细的动力学可视化仿真研究。过去通 常采用将整条线路离散成单位长度的轨道单元块，然后将每个单元块作为一个 整体进行平移和旋转，以完成对整条线路振动行为的模拟。由于钢轨是以纵向 梁的形式参与纟展动的一个弹性体，显然，这样的方法会导致相邻两单元块相交
或产生裂缝，所以它只能反映轨道系统最基本的振动特征，而且是大体上的，无法准确模拟轨道系统各组成部件的特殊振动行为，如钢轨的垂向、横向弹 性变形及翻转运动；每根受影响的轨枕的垂向、横向及旋转运动。由于轨道系统动态性能的好坏是直接影响列车运行质量(包括安全可靠、 快速便捷、高效节能、平稳舒适等)。因此，需要应用仿真模拟的方法对轨道系 统动态性能进行研究与分析，以便于实现列车线路的无风险动力学尝试试验， 加快机车车辆与轨道系统的研制、开发与改进。因此，研究一个直观的且能更 真实地综合模拟轨道系统动态性能仿真的计算机软硬件平台，既有重要的理论 价值，也具有很大的实际意义。 发明内容本发明的目的就是提供一种轨道系统动态性能综合仿真方法，该方法能更 真实地综合模拟列车行驶时轨道系统的各种动态性能，集成性好；并能将列车 及线路的动态状态在三维场景中进行可视化显示，直观、形象，使用简单方便。本发明解决其技术问题，所采用的技术方案是 一种铁路轨道系统动态性 能可纟见化仿真方法，其步骤是a、从列车和线路模型库中获取选定的列车和线路数据，使用车辆一轨道 耦合系统动力学计算方法，按设定的速度算出受列车振动影响的线路范围内的轨枕与钢轨的时间-振动位移数据、时间-振动速度数据及时间-振动加速度数据，并存储于动态数据库中；或者受列车振动影响的线路范围内的轨枕与钢轨当前时刻的振动位移数 据、当前时刻的振动速度数据及当前时刻的振动加速度数据；b、 初始化三维仿真场景，并在其中配置光源，从线路模型库中获取线路的 道^^莫型并显示；c、 从线路模型库中获取轨枕模型及选定线路的轨枕间的相对结构数据，再 根据设定的速度和时间间隔，计算出列车在线路上行驶的距离；将当前时刻受 列车振动影响的线路轨枕，按其所在线路中心线的两相邻控制点间进行插值， 得出当前时刻的线路轨枕在大地坐标系中的空间平衡位置；同时，根据线路几何状态数据及算出的当前时刻列车在线路上的位置，确 定出受列车振动影响范围内钢轨的关键位置处的轮廓点，即钢轨的起始处及与 车轮的接触处的钢轨轮廓点；按其所在线路中心线的两相邻控制点间进行插值，
得出当前时刻的钢轨在大地坐标系中的空间平衡位置；d、 将轨枕当前时刻的空间平衡位置与a步中计算出的相应振动位移数据叠 加，得出线路轨枕的显示空间位置；在三维场景中，按轨枕的显示空间位置将 轨枕显示出来，即实现了铁路轨道系统中轨枕振动行为的可视化模拟；根据左右侧钢轨各关键节点的空间平衡位置，将钢轨各关键位置处轮廓点 相应的振动位移翁:据叠加，由点、线、面的方式实时生成定位的左右侧钢轨三 维模型；并在三维场景中，将其显示出来，即实现了铁路轨道系统中钢轨振动 行为的可视化模拟；e、 重复c d两步骤，即可实现铁路轨道系统动态性能可视化仿真；若当 前时刻与列车车轮接触位置的钢轨截面为所显示线路的钢轨终止端面，则仿真 结束。与现有技术相比，本发明的有益效果是1、 通过模拟受车辆作用影响范围内有限长轨道的振动行为，完成对轨道系 统动力学的可视化仿真；避免了在整条线路上对轨枕的空间位置进行操作的大 量工作。2、 通过实时动态创建有限长钢轨模型，避免了在三维场景中查找车辆经过 处，受影响范围内的既有钢轨模型关键节点以及对模型进行变形操作的繁瑣复 杂性。3、 将钢轨作为一个弹性梁来模拟其振动行为，即通过计算出关键位置处的 钢轨轮廓点的位置，然后在将这些轮廓点平滑连接生成弹性变形后的实时动态 钢轨模型，这样更能反映钢轨在动力学模型中以弹性梁的形式参与振动的本质， 更真实地模拟出了钢轨的振动与变形如钢轨的垂向、横向弹性变形及扭转运 动，解决了过去无法准确模拟钢轨特殊振动行为的状况。而现有的方法，将其 分割成非常小的单元块，然后将每个小块作为一个刚性体，进行平移和旋转操 作来模拟钢轨的振动行为，即不能真实地模拟钢轨的振动与变形，同时也产生多边形自相交或不合理的扭结效果。4、 实时创建钢轨模型时，是在有限长钢轨内选取受列车振动影响少数关键 位置处的轮廓点进行计算叠加，再平滑处理得到，其计算数据量小，计算复杂 度低，因此，尽管是实时地创建有限长钢轨模型，但整个仿真场景的渲染速度 几乎不受由此产生的时间增量的影响。 从而本发明方法为轨道系统关键动力学参数及轨道平纵断面的优化设计， 轨道系统的研制、开发与改进提供了统一、直观、完整、有效的动态性能仿真 依据。特别是为高速、重载现代化铁路系统的最佳管理提供了理论分析工具，具 有很强的工程应用价值。上述的受列车振动影响的线路范围为列车总长及列车前后各25 ~ 50米。这 样既能真实地模拟出轨道系统的振动与变形，同时计算数据量小，对硬件要求低。上述的线路模型库中的线路数据包括外轨超高，线路走向、标准轨距、 轨底坡数据；线路钢轨及轨枕的振动位移数据包括左右侧钢轨垂向、横向平 动位移和扭转角位移数据。这样确定各个位置处线路钢轨及轨枕的平衡位置时，考虑了线路几何状态 对线路钢轨及轨枕所产生的偏移；再叠加各种振动位移，包括了列车行驶时钢 轨及轨枕所产生的各种振动位移。从而本发明能够更全面逼真地仿真出轨道系 统的动态综合性能。上述钢轨的关键位置处的轮廓点还有钢轨上与各转向架中心及车体中心 对应处的轮廓点；以及为了平滑钢轨模型，在各主要关#1位置处进行三次样条 插值得到的相应轮廓点。这样，适当增加的关键位置，在计算量增加不多的情 况下，能使4莫拟出的钢轨模型更为平滑、真实的表现出钢轨的振动与变形。上述的线路模型库中的线路数据还包括方向、轨距、高低和水平四种形 式的轨道不平顺数据；在d步中，钢轨各关键位置处轮廓点叠加的振动位移数 据中还包括轨道不平顺数据。这样确定各个位置处线路钢轨及轨枕的平衡位置， 还进一步考虑了轨道不平顺对线路钢轨及轨枕所产生的偏移；使本发明仿真的 轨道系统的动态综合性能更加真实。下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细描述。
图1是本发明实施例一在计算受振动影响的具体空间位置时，釆用的中间 轨道坐标系、轨道坐标系、世界坐标系之间的坐标变换关系的示意图。 图2是本发明实施例一仿真过程中的左、右侧钢M^坐标系的示意图。 图3是本发明实施例一仿真得出的一段钢轨弹性变形示意图。 图4是本发明实施例一仿真过程中某段钢轨模型的生成示意图。
图1及图4中;c'，/, 为轨道坐标系,r",/', '为中间轨道坐标系,x附，yV〃 为世界坐标系。图2中^,;^,Za为左侧钢库九坐标系；x^,j^,2^ 为右侧钢库九 坐标系。
具体实施方式
实施例一本发明的第 一种
具体实施例方式
一种铁路轨道系统动态性能可视化仿真方 法包括如下步骤a、 从列车和线路模型库中获取选定的列车和线路数据，使用车辆一轨道耦 合系统动力学计算方法，按设定的速度算出受列车振动影响的线路范围内的轨枕与钢轨的时间-振动位移数据、时间-振动速度数据及时间-振动加速度数据，并存储于动态凄t据库中；或者受列车振动影响的线路范围内的轨枕与钢轨当前时刻的振动位移数 据、当前时刻的振动速度数据及当前时刻的振动加速度数据；通常受列车振动影 响范围确定为列车总长及列车前后各25 ~ 50米。本例中，线路模型库中的线路数据包括外轨超高，线路走向、轨距、轨 底坡数据；线路钢轨及轨枕的振动位移数据包括左右側钢轨垂向、横向平动 位移和扭转角位移数据；还包括方向、轨距、高低和水平四种形式的轨道不 平顺数据。b、 初始化三维仿真场景，并在其中配置光源，从线鴻4莫型库中获取线路的 道床模型并显示；c、 从线路模型库中获取轨枕模型及选定线路的轨枕间的相对结构数据，再 根据设定的速度和时间间隔，计算出列车在线路上行驶的距离；1、将当前时刻受列车振动影响的线路轨枕，按其所在线路中心线的两相邻 控制点间进行插值，得出当前时刻的线路轨枕在大地坐标系中的空间平衡位置。 线路中心线的两相邻控制点是指直线段的控制点是起始位置点，曲线段控制 点是在保证曲线平滑逼真还原，同时又能有效减少数据的存储量而选定的若干 位置点；通常曲率半径越小，控制点取得越多。其详细做法如下如图l所示，坐标系x'",/',z'"为世界坐标系，固结于线路中心线T的起始 点处；坐标系x",/,z"为一中间轨道坐标系，根据线路走向的数据，得出中间轨 道坐标系Z,/'，z"相对于z"'轴转动的角度^ ,根据曲线处的外轨超高的线路数 据，得出轨道坐标系I',/,Z'饶;c'轴旋转的角度^在直线处，该角度^为0。得出轨道坐标系x',/,z'和世界坐标系jc'",/",z'"之间的变换公式如下<formula>formula see original document page 9</formula>(1)式中，/'，/,/:'和r,/',yr分别代表与轨道坐标系x',/, 和世界坐标系/"， 相对应的单位矢量。根据线路数据，利用U)式可计算出每一根受振动影响的轨枕在世界坐标 系jc附,/',z"'的具体空间位置。2、根据线路数据及算出的当前时刻列车在线路上的位置，确定出受列车振 动影响范围内钢轨的关键位置处的轮廓点，即钢轨的起始处及与车轮的接触处 的钢轨轮廓点。为了使得钢轨更加平滑、逼真，钢轨的关键位置处还包括钢 轨上与各转向架中心及车体中心对应处；以及为了平滑钢轨模型，在各主要关键位置处进行三次样条插值得到的相应位置。确定出这些关键位置处的轮廓点。 按钢轨关键位置处的钢轨轮廓点按其所在线路中心线的两相邻控制点间进 行插值，得出当前时刻的钢轨轮廓点在大地坐标系中的空间平衡位置；其具体 步骤与方法如下在步骤a中从线路模型数据库中获取的线路数据包括左右側钢轨型面轮廓 点数据。左、右侧钢轨型面轮廓点数据分别定义在图2所示的左侧钢轨坐标系 ^,力i,^和右侧钢轨坐标系^,力w^中。再根据步骤a中从线路模型库中 获得的轨道方向、轨距、高低和水平不平顺数据，以及计算出的左右側钢轨的 横向平动、垂向及扭转角位移；对左、右侧钢轨利用以下的公式(2)、 (3)分 别进行平动和旋转操作，将各轮廓点转换为轨道坐标系x'，/,z'中。公式(2)、 (3)中^为钢轨的标准轨底坡；&、 ^为左右侧钢轨的扭转角位移。然后再 由公式(1)转换到图1的世界坐标系,，/〃，,中，这样就可得出相应截面处钢 轨轮廓点在世界坐标系中的空间平衡位置。<formula>formula see original document page 9</formula>(2) <formula>formula see original document page 10</formula>公式(2)中，Q，义"、代表左侧钢轨坐标系&，力￡,、中的的单位矢量； 公式(3)中，"，力w，&w代表右侧钢轨坐标系、《,少^，^ 中的的单位矢量。通常只关注轮轨接触点处，即图3中B、 D、 F、 H四个关键:位置处钢轨的具 体振动形态，为了更准确地描述受影响范围内钢轨的振动形态，取钢轨起始点A、 钢轨上与各转向架中心对应处的C、 G两点、钢轨上与车体中心对应的E点、钢 轨终止点I截面处作补充增加的钢轨关键位置。再根据列车的运行距离，即可 得到这些位置处截面轮廓点在世界坐标系x'",;/",z'"的空间平衡位置坐标数据。d、 将轨枕当前时刻的空间平衡位置与其相应的振动位移数据叠加，也即将 每根受振动影响的轨枕的垂向、横向平动、及扭转角位移与其空间平衡位置叠 加，得出线路轨枕的显示空间位置；在三维场景中，按轨枕的显示空间位置， 将其显示出来，即实现了铁路轨道系统中轨枕振动行为的可视化模拟。同时，根据左右侧钢轨各关键节点的空间平衡位置，将钢轨各关键位置处 轮廓点相应的l展动位移数据叠加，由点、线、面的方式实时生成定位的左右侧 钢轨三维模型；并在三维场景中，将其显示出来，即实现了铁路轨道系统中钢 轨振动行为的可视化模拟。以下结合图4对钢轨振动可祸/f匕的模拟过程进行详 细的i兌明。现以图4中的右侧的AB段钢轨模型(即图3中A、 B两处之间的钢轨才莫型) 的生成为例，详细说明钢轨模型的生成过程。根据轨道结构设计尺寸，在轨道坐标系中，a、 b截面处钢轨轮廓点/;尸2尸3…《，/r《《…《的静态坐标值即在右侧钢轨坐标系x^，；^，z^中的坐标值已知。将每帧画面中两截面处的动力学数据 叠加到相应的静态坐标值上，用以上方法，采用公式(l)、 (2)、 (3),即可依 次将每个截面处的各轮廓点在轨道坐标系x',/,z'中的坐标值变换到世界坐标系 x"'，/V"'中，利用一般的模型生成软件(如Creator API等)，依次将各截面处 的/^2尸271'，尸2尸3尸3'尸2'，…,点连4妾成面，由面生成体ab段的钢轨才莫型。e、 重复c d两步骤，即可实现铁路轨道系统动态性能可视化仿真。 总之，本发明通过将钢轨、轨枕和道床进行装配。实时地将道床模型、当
前时刻的画面中钢轨弹性变形后的模型及受车辆作用影响的轨枕，调入到整个 仿真场景中进行显示，从而完整地实现了铁路轨道系统动态性能可视化仿真方 法。实施例二本例与实施一的步骤基本相同，不同的仅仅是a步中，从三维列车和线路 模型库中获取选定的列车和线路数据，使用车辆一轨道耦合系统动力学计算方 法，按设定的速度计算出的是当前时刻的受列车振动影响的线路钢轨及轨枕 振动位移数据。与实施例一相比，本例不是计算并存储各时刻，而是仅仅计算当前时刻线 路钢轨及轨枕的相关振动数据，边计算边显示，对存储设备要求更低，但对计 算设备(CPU)的性能要求更高。本发明方法配合车辆系统动力学可视化仿真，可完成列车与线路系统动态 性能的可视化仿真。
权利要求
1、 一种铁路轨道系统动态性能可视化仿真方法，其步骤是a 、从列车和线路沖莫型库中获取选定的列车和线路数据，使用车辆一轨道耦 合系统动力学计算方法，按设定的速度算出受列车振动影响的线路范围内的轨枕与钢轨的时间-振动位移数据、时间-振动速度数据及时间-振动加速度数据，并存储于动态数据库中；或者受列车振动影响的线路范围内的轨枕与钢轨当前时刻的振动位移数 据、当前时刻的振动速度数据及当前时刻的振动加速度数据；b、 初始化三维仿真场景，并在其中配置光源，从线鴻4莫型库中获取线路的 道床模型并显示；c、 从线路模型库中获取轨枕模型及选定线路的轨枕间的相对结构数据，再 根据设定的速度和时间间隔，计算出列车在线路上行驶的距离；将当前时刻受 列车振动影响的线路轨枕，按其所在线路中心线的两相邻控制点间进行插值， 得出当前时刻的线路轨枕在大地坐标系中的空间平衡位置；同时，根据线路几何状态数据及算出的当前时刻列车在线路上的位置，确 定出受列车振动影响范围内钢轨的关键位置处的轮廓点，即钢轨的起始处及与 车轮的接触处的钢轨轮廓点；按其所在线路中心线的两相邻控制点间进行插值， 得出当前时刻的钢轨在大地坐标系中的空间平衡位置；d、 将轨枕当前时刻的空间平衡位置与a步中计算出的相应振动位移数据叠 加，得出线路轨枕的显示空间位置；在三维场景中，按轨枕的显示空间位置将 轨枕显示出来，即实现了铁路轨道系统中轨枕振动行为的可视化模拟；根据左右側钢轨各关键节点的空间平衡位置，将钢轨各关键位置处轮廓点 相应的振动位移数据叠加，由点、线、面的方式实时生成定位的左右侧钢轨三 维模型；并在三维场景中，将其显示出来，即实现了铁路轨道系统中钢轨振动行为的可视化模拟；e、 重复c-d两步骤，即可实现铁路轨道系统动态性能可视化仿真；若当 前时刻与列车车轮接触位置的钢轨截面为所显示线路的钢轨终止端面，则仿真 结束。
2、根据权利要求1所述的一种铁路轨道系统动态性能可视化仿真方法，其特 征在于所述的受列车振动影响的线路范围为列车总长及列车前后各2 5 ~ 5 0米。
3、 根据权利要求1所述的一种铁路轨道系统动态性能可视化仿真方法， 其特征在于，所述的线路模型库中的线路数据包括外轨超高，线路走向、轨 距、轨底坡数据；线路钢轨及轨枕的振动位移数据包括左右侧钢轨垂向、横 向平动位移和#>转角位移凄史据。
4、 根据权利要求1所述的一种铁路轨道系统动态性能可视化仿真方法， 其特征在于，所述的钢轨的关键:位置还有钢轨上与各转向架中心及车体中心 对应处的轮廓点；以及为了平滑钢轨模型，在各主要关键位置间进行三次样条 插值得到的相应位置点。
5、 根据权利要求1所述的一种铁路轨道系统动态性能可视化仿真方法， 其特征在于，所述的线路模型库中的线路数据还包括方向、轨距、高低和水 平四种形式的轨道不平顺数据；在d步中，钢轨各关键:位置处轮廓点叠加的振 动位移数据中还包括轨道不平顺数据。
全文摘要
本发明公开了一种铁路轨道系统动态性能可视化仿真方法，它将受列车振动影响范围内的钢轨和车轮轮廓数据叠加其振动位移数据后，重建生成具有振动形态的钢轨及车轮，模拟钢轨与车轮的受力变形；从而实现铁路轨道系统中钢轨及车轮振动行为的可视化模拟。该方法能更真实地综合模拟列车行驶时轨道系统的各种动态性能，集成性好；并能将列车及线路的动态状态在三维场景中进行可视化显示，直观、形象，使用简单方便。
文档编号G06T17/00GK101122930SQ200710049808
公开日2008年2月13日 申请日期2007年8月21日 优先权日2007年8月21日
发明者杨吉忠, 王开云, 翟婉明, 蔡成标, 赵春发 申请人:西南交通大学