一种针对车轨的动力学协同仿真分析系统与方法与流程

本发明涉及铁道工程仿真分析领域。更具体地，涉及一种针对车轨的动力学协同仿真分析系统与方法。

背景技术：

随着铁路建设的高速发展，为了加快铁路输送速度，我国高速铁路建设采用短、顺、直的选线原则。在高速铁路建设中考虑到不同下部基础带来的运营、养护、维修等问题，需要采用不同的轨道结构，考虑到不同环境、地形等条件，轨道结构承受的荷载也随之不同。为了保证高速列车运行的平稳性和安全性、轨道结构的正常使用和桥梁隧道的耐久性，针对各种环境下的列车动力学分析显得尤为重要。目前，国内外学者主要是通过有限元软件和多体动力学软件进行分析，有限元软件能够详细地模拟各结构，但计算数据庞大、速度慢，且无法准确模拟轮轨耦合理论，多体动力学软件计算速度快，但无法详细模拟轨道基础设施。

因此，需要提供一种针对车轨的动力学协同仿真分析方法与系统，针对高速、重载、城市轨道交通领域动力学仿真分析中经常遇到的车轨刚柔耦合问题，提供一种能够综合有限元分析软件和多体动力学软件的优势，准确、快速地对车轨进行刚柔耦合的动力学仿真分析的系统与方法。

技术实现要素：

本发明要解决的一个技术问题是提供一种针对车轨的动力学协同仿真分析方法，本发明要解决的另一个技术问题是提供一种针对车轨的动力学协同仿真分析系统，以能够综合有限元分析软件和多体动力学软件的优势，准确、快速地对车轨进行刚柔耦合的动力学仿真分析。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

本发明一方面公开了一种针对车轨的动力学协同仿真分析系统，其特征在于，所述系统包括：

车辆分析平台，用于建立车辆模型，生成车辆模型信息；

轨道分析平台，用于建立轨道模型，生成轨道模型信息；

协同分析平台，用于根据所述车辆模型信息和所述轨道模型信息生成车轨系统模型信息，对所述车轨系统模型信息构建运动方程，求解得到动力响应数据。

优选地，所述车辆分析平台包括多体动力学软件，所述轨道分析平台包括有限元分析软件。

优选地，所述车辆模型包括车体、转向架和轮对。

优选地，所述轨道模型包括钢轨模型、扣件模型、轨枕模型、道床模型、限位装置以及下部基础模型。

优选地，所述下部基础模型包括桥梁模型、路基模型、隧道模型以及过渡段模型。

优选地，所述道床模型包括有砟轨道模型或无砟轨道模型。

优选地，所述车辆模型信息和轨道模型信息分别包括车辆模型和轨道模型的几何参数、物理参数、自由度信息、节点信息和单元信息。

优选地，该系统进行一步包括后处理模块，

所述后处理模块用于根据所述动力响应数据绘制动力响应图表并生成报告文件。

本发明另一方面同时公开了一种针对车轨的动力学协同仿真分析方法，其特征在于，所述方法包括：

s1：通过车辆分析平台建立车辆模型，生成车辆模型信息；

s2：通过轨道分析平台建立轨道模型，生成轨道模型信息；

s3：通过协同分析平台根据所述车辆模型信息和所述轨道模型信息生成车轨系统模型信息，对所述车轨系统模型信息构建运动方程，求解得到动力响应数据。

优选地，所述方法进一步包括s4：根据所述动力响应数据绘制动力响应图表并生成报告文件。

本发明的有益效果如下：

本发明综合了有限元仿真软件的建模优势和多体动力学软件的计算优势对车轨进行动力学仿真分析，考虑不同轨道基础设施的实际情况，并准确反映轮轨接触关系。相比只采用多体动力学软件进行仿真，本发明可以详细考虑不同轨道基础设施对动力响应的影响。相比只采用有限元软件进行仿真，本发明搭载了特定的轮轨接触模块，计算结果更为准确。除此之外，本发明提供了完备的后处理模块，自行对获得的动力响应进行数据处理，自动完成脱轨系数、轮重减载率和最大值的统计分析，并绘制图表，生成报告文件。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明一种针对车轨的动力学协同仿真分析系统的示意图。

图2示出本发明一种针对车轨的动力学协同仿真分析方法的流程图。

图3示出本发明一种针对车轨的动力学协同仿真分析系统与方法具体实施例的车辆模型的正视图、左视图和仰视图。

图4示出本发明一种针对车轨的动力学协同仿真分析系统与方法具体实施例的轨道模型的立体图。

图5示出本发明一种针对车轨的动力学协同仿真分析系统与方法具体实施例求解得到的轮轨垂向力。

图6示出本发明一种针对车轨的动力学协同仿真分析系统与方法具体实施例求解得到的轮轨横向力。

图7示出本发明一种针对车轨的动力学协同仿真分析系统与方法具体实施例求解得到的脱轨系数。

图8示出本发明一种针对车轨的动力学协同仿真分析系统与方法具体实施例求解得到的轮重减载率。

图9示出本发明一种针对车轨的动力学协同仿真分析系统与方法具体实施例求解得到的钢轨垂向位移。

图10示出本发明一种针对车轨的动力学协同仿真分析系统与方法具体实施例求解得到的钢轨垂向加速度

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开了一种针对车轨的动力学协同仿真分析系统，该系统包括：车辆分析平台、轨道分析平台和协同分析平台。

其中，所述车辆分析平台用于建立车辆模型，生成车辆模型信息。优选的，车辆分析平台可采用多体动力学软件建立车辆模型，更优选的，可采用fortran软件进行车辆的建模。所述车辆模型可包括车体、转向架和轮对。

所述轨道分析平台用于建立轨道模型，生成轨道模型信息。所述轨道分析平台可包括有限元分析软件，更优选的，可采用abaqus软件进行轨道的建模。所述轨道模型可包括钢轨模型、扣件模型、轨枕模型、道床模型、限位装置以及下部基础模型。其中，所述下部基础模型可包括桥梁模型、路基模型、隧道模型以及过渡段模型，所述道床模型可包括有砟轨道模型或无砟轨道模型。

所述协同分析平台用于根据所述车辆模型信息和所述轨道模型信息生成车轨系统模型信息，对所述车轨系统模型信息构建运动方程，求解得到动力响应数据。具体的，所述协同分析平台通过二次开发和文件交互的方法分别导出车辆和轨道基础设施的模型信息，然后在搭载轮轨接触模块的协同分析平台上对导入的车辆和轨道两个模型的模型信息进行配对，并构建运动方程，进行系统信息的更新和迭代计算，得到列车通过时引起的动力响应数据。所述车辆模型信息和轨道模型信息可分别包括车辆模型和轨道模型的几何参数、物理参数、自由度信息、节点信息和单元信息。配对后的两个模型的模型信息也可包括几何参数、物理参数、自由度信息、节点信息和单元信息。

所述动力学协同仿真分析系统进行一步包括后处理模块，所述后处理模块用于根据所述动力响应数据绘制动力响应图表并生成报告文件，具体的，用于对动力响应数据进行数据处理，自动实现脱轨系数、轮重减载率、最大值的统计分析，绘制响应图表，并生成报告文件。

如图2所示，本发明同时公开了一种针对车轨的动力学协同仿真分析方法，所述方法包括：

s1：通过车辆分析平台建立车辆模型，生成车辆模型信息。优选的，可采用多体动力学软件建立车辆模型，更优选的，可采用fortran软件进行车辆的建模。所述车辆模型可包括车体、转向架和轮对。

s2：通过轨道分析平台建立轨道模型，生成轨道模型信息。优选的，可采用有限元软件建立轨道模型，更优选的，可采用abaqus软件进行轨道的建模。所述轨道模型可包括钢轨模型、扣件模型、轨枕模型、道床模型、限位装置以及下部基础模型。其中，所述下部基础模型可包括桥梁模型、路基模型、隧道模型以及过渡段模型，所述道床模型可包括有砟轨道模型或无砟轨道模型。

s3：通过协同分析平台根据所述车辆模型信息和所述轨道模型信息生成车轨系统模型信息，对所述车轨系统模型信息构建运动方程，求解得到动力响应数据。具体的，通过二次开发以及文件交互的方法分别导出车辆和轨道基础设施的模型信息，然后在搭载轮轨接触模块的协同分析平台上对导入的车辆和轨道两个模型的模型信息进行配对，并构建运动方程，进行系统信息的更新和迭代计算，得到列车通过时引起的动力响应数据。所述车辆模型信息和轨道模型信息可分别包括车辆模型和轨道模型的几何参数、物理参数、自由度信息、节点信息和单元信息。配对后的两个模型的模型信息也可包括几何参数、物理参数、自由度信息、节点信息和单元信息。

所述方法进一步可包括s4：根据所述动力响应数据绘制动力响应图表并生成报告文件。具体的，对动力响应数据进行数据处理，自动实现脱轨系数、轮重减载率、最大值的统计分析，绘制响应图表，并生成报告文件。

下面通过一个具体实施例来对本发明作进一步的说明，某高速列车直向过桥为例时，速度为300km/h。本实施例中采用无砟轨道的形式，轨道板铺设在底座板上，底座板铺设在桥上，桥梁为钢箱梁，具体实施过程为：首先，在多体动力学软件中建立车辆模型，所述车辆模型包括车体、转向架和轮对，如图3所示。其次，在有限元软件中详细建立轨道基础设施模型，所述轨道基础设施模型包括钢轨、扣件、轨枕、无砟轨道和桥梁，如图4所示。再次，在多体、有限元软件的基础上，通过二次开发，分别导出车辆和轨道基础设施的模型信息，所述模型信息包括：几何参数、物理参数、自由度信息、节点信息和单元信息。通过几何参数关联，使两个模型的信息在新平台上配对形成一个整体的系统模型信息，该系统模型信息包括几何参数、物理参数、自由度信息、节点信息和单元信息。在搭载轮轨接触模块的新平台上，结合系统模型信息构建运动方程，进行系统信息的更新和迭代计算，得到列车通过时引起的动力响应。最后，对协同仿真平台求解完成运动方程后获得的各动力响应进行数据处理，自动实现脱轨系数、轮重减载率、最大值的统计分析，并绘制响应图表，生成报告文件。利用该方法可以得到轨道基础设施的振动加速度、动位移等动力响应，轮轨垂向作用力、轮轨横向作用力等力的响应以及脱轨系数、减载率等指标，实验数据如表5-表10所示，计算结果如表1所示。

表1计算结果

由表1中计算结果可知，脱轨系数和轮重减载率均满足要求，轨道基础设施的垂向位移从上到下依次减小，桥梁的垂向位移最小，钢轨的垂向位移最大，结果符合实际情况。因此，本实施例表明，本发明可用于进行车轨刚柔耦合的动力特性的分析。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。