接触网多物理场动静态模拟仿真模型构建方法及系统与流程

本发明涉及铁路，具体涉及一种接触网多物理场动静态模拟仿真模型构建方法及系统。

背景技术：

1、电气化铁路由于本身不带有动力源，需要从铁路沿线架设的接触网设备取流以驱动自身运动，与接触网直接接触取流的设备是固定在高速列车顶部的受电弓。接触网设备露天搭建且为柔性线索，极易受到外界环境，如风、覆冰、温升等因素的作用，产生扰动，同时受电弓与接触网之间通过滑动接触相互作用，而这种相互作用也会使接触线产生波动。弓网之间的接触质量关系着电气化列车的运行状况，因此需要对于弓网系统进行研究。现有的研究往往是针对单一环境变量的单物理场研究或是分别研究不同环境变量对弓网接触的影响，各种因素之间缺乏关联，很多分析只针对静态场，与实际情况相差较大。

技术实现思路

1、本技术提供一种接触网多物理场动静态模拟仿真模型构建方法及系统，以解决现有接触网研究方案存在的各种环境因素相互独立，弓网作用以静态分析为主，与实际工程情况相差较大的问题。

2、根据第一方面，一种实施例中提供一种接触网多物理场动静态模拟仿真模型构建方法，所述方法包括：

3、基于设定的接触网几何参数和材料参数，以减小接触线静态弛度为目标，采用有限元方法对建立的接触网模型进行静态找形；

4、建立弓网静态接触力对接触网力学影响的仿真计算；

5、建立弓网系统的动态模型，完成弓网动态抬升量和动态接触力的仿真计算；

6、将包括风载荷、覆冰、热应力、地震波的多环境因素加载到接触网有限元模型中，仿真求解得到接触网在多环境因素作用下的应力和弛度。

7、进一步地，基于设定的接触网几何参数和材料参数，以减小接触线静态弛度为目标，采用有限元方法对建立的接触网模型进行静态找形，具体包括：

8、设定各吊弦初始长度，使接触线和承力索为两条相互平行的直线；

9、计算各吊弦下端位置处的接触线驰度，并用于更新对应吊弦初始长度；

10、同时观察整个接触线最大驰度，控制迭代次数，满足接触线最大驰度小于要求值。

11、进一步地，基于设定的接触网几何参数和材料参数，以减小接触线静态弛度为目标，采用有限元方法对建立的接触网模型进行静态找形，具体包括：

12、所述接触网几何参数包含跨距、吊弦间距、承力索与接触线固定点间距、承力索线径、接触线线径以及吊弦直径；材料参数包含承力索和接触线的密度与承力弹性模量以及吊弦的弹性模量。

13、进一步地，建立弓网静态接触力对接触网力学影响的仿真计算，具体包括：

14、抽象受电弓为理想化模型，将基座阻尼器、和弓臂弹簧-阻尼器都等效至弓头与横向支撑杆之间的弹簧减震器，并得到弹簧减震器的刚度，仿真受电弓与接触网之间的静态作用力；

15、将得到的弓网静态接触力根据地形因素和安全裕量进行修正并以集中力的形式作用于接触网，建立弓网静态接触力对接触网力学影响的仿真计算，分别仿真接触力作用点距承力索固定点不同距离时的基础网应力分布。

16、进一步地，建立弓网系统的动态模型，完成弓网动态抬升量和动态接触力的仿真计算，具体包括：

17、将弓网接触的动态行为看作为一个三自由度系统的受迫振动，将接触线近似看作水平直线，忽略摩擦力；根据弓网系统的动态平衡方程，建立弓网系统的动态模型，设定步长，采用隐式动力学时域求解方法完成弓网动态抬升量和动态接触力的仿真计算，并对结果进行低通滤波，获得接触力的低频分量。

18、进一步地，将包括风载荷、覆冰、热应力、地震波的多环境因素加载到接触网有限元模型中，仿真求解得到接触网在多环境因素作用下的应力和弛度，具体包括：

19、根据实际风速求解接触网单位长度所受风压力λ，将求得的风压力λ以线载荷的形式加载到接触网有限元模型的接触线、吊弦和承力索上；

20、根据实际覆冰参数求解接触网等效密度，根据接触网等效密度设定中接触网有限元模型的材料属性；

21、根据实际温度，设定接触网有限元模型的温度参数；

22、将实际地震波表达为加速度随时间的变化曲线，将得到的加速度随时间的变化曲线以函数的关系表示并加载到承力索的支撑位置和列车上。

23、进一步地，根据实际风速求解接触网单位长度所受风压力λ，将求得的风压力λ以线载荷的形式加载到接触网有限元模型的接触线、吊弦和承力索上，具体包括：

24、将风的作用以风压的形式反映在结构上，采用接触网受力最大的经验公式计算风压，其中ω为风压，v为风速；提出线载荷与风压和结构几何参数之间的函数关系：λ＝ω·2r，其中λ为单位长度所受风压力，r为横截面半径；

25、考虑到受与吊弦垂直、与接触线平行侧向风力时，接触网中接触线与承力索在此方向投影较小可忽略，故所受风力仅考虑吊弦所受风力；

26、受与接触线垂直、与吊弦平行竖向风力时，吊弦在此方向投影仅为较小圆形，风压产生的力较小，故而忽略，仅考虑接触线与承力索所受风压力；

27、基于相应原则将线载荷导入到接触网有限元模型建立各个方向的风力、不同大小的风载对接触网影响的仿真计算，其中风载对接触网的影响包含不同风速下的接触网最大横向位移以及不同风偏角下的接触网竖向位移和水平位移。

28、进一步地，根据实际覆冰参数求解接触网等效密度，根据接触网等效密度设定中接触网有限元模型的材料属性，具体包括：

29、根据相对密度公式计算等效覆冰密度：其中其中λ为冰层厚度系数d为冰层厚度，r为导线半径，θ为覆冰角，ρice为冰的密度，ρwire为线缆的密度；

30、结合实际环境参数选用覆冰角、接触网线缆密度和覆冰密度，得出不同覆冰厚度下的线材等效密度，根据计算出的线材等效密度设置材料属性，利用有限元仿真计算不同覆冰厚度系数下接触网的驰度和应力。

31、进一步地，将实际地震波表达为加速度随时间的变化曲线，将得到的加速度随时间的变化曲线以函数的关系表示并加载到承力索的支撑位置和列车上，具体包括：

32、将地震波以加速度的形式表达出来，并将地震波以加速度的形式加载到承力索支撑位置及列车上面，仿真弓网动态接触力和动态抬升量。

33、根据第二方面，一种实施例中提供一种接触网多物理场动静态模拟仿真模型构建系统，所述系统包括：

34、静态找形模块，用于基于设定的接触网几何参数和材料参数，以减小接触线静态弛度为目标，采用有限元方法对建立的接触网模型进行静态找形；

35、弓网静态仿真模块，用于建立弓网静态接触力对接触网力学影响的仿真计算；

36、弓网动态仿真模块，用于建立弓网系统的动态模型，完成弓网动态抬升量和动态接触力的仿真计算；

37、多物理场仿真模块，用于将包括风载荷、覆冰、热应力、地震波的多环境因素加载到接触网有限元模型中，仿真求解得到接触网在多环境因素作用下的应力和弛度。

38、本技术提供一种接触网多物理场动静态模拟仿真模型构建方法及系统，基于设定的接触网几何参数和材料参数，以减小接触线静态弛度为目标，采用有限元方法对建立的接触网模型进行静态找形；建立弓网静态接触力对接触网力学影响的仿真计算；建立弓网系统的动态模型，完成弓网动态抬升量和动态接触力的仿真计算；将包括风载荷、覆冰、热应力、地震波的多环境因素加载到接触网有限元模型中，仿真求解得到接触网在多环境因素作用下的应力和弛度。本发明实现了接触网的多物理场动静态模拟仿真模型，对包含风载荷、覆冰、热应力、地震波等一系列环境因素对接触网力学性能的影响进行分析，并建立了接触网的静态场和动态场仿真，更加适应实际工程情况。