鐵路貨車動力學仿真平臺研究

鄒德順，張兆豐，姜瑞金，陶永忠，楊繼震

(1 南車長江車輛有限公司，湖北武漢430212; 2 GET集團，北京100190)

鐵路貨車動力學仿真平臺研究

鄒德順1，張兆豐1，姜瑞金1，陶永忠2，楊繼震2

(1 南車長江車輛有限公司，湖北武漢430212; 2 GET集團，北京100190)

以鐵路貨車為應用對象，論述了基于SIMPACK軟件的動力學仿真平臺的設計與實現(xiàn)。在研究了鐵路貨車動力學分析特點的基礎上，提出了車輛動力學仿真平臺的總體構架。有重點地介紹了平臺的建模、仿真、后處理、置信度分析與參數(shù)化分析5個模塊的實現(xiàn)方法。最后使用平臺對某型貨車進行了動力學分析，并展示了部分計算結果。該平臺提高了動力學仿真的效率和準確度，降低了SIMPACK軟件的使用門檻，為鐵路貨車的新產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品改進提供了有力的支持，具有很好的應用價值。

鐵路貨車;動力學;仿真平臺;SIMPACK

動力學性能是考核鐵路貨車性能的重要內(nèi)容，直接關系到車輛的運行安全和使用壽命［1］。車輛設計時，需要反復對動力學性能進行計算和驗證，確保各項指標達到要求。目前，鐵路貨車企業(yè)普遍使用商業(yè)軟件進行動力學分析。但在軟件的方便性方面，也存在以下問題:

(1)分析效率低。目前的動力學分析，無論是建模、仿真還是結果后處理，都需要大量的手動操作，耗時多，效率低下。

(2)模型易出錯，查錯難度大。鐵路貨車的動力學模型較復雜，手工建模時易出錯，要發(fā)現(xiàn)錯誤也難。

(3)分析軟件使用門檻高。商業(yè)分析軟件多為英文版，分析過程復雜，要求使用者熟悉動力學相關理論，這限制了一般設計人員的使用。

開發(fā)鐵路貨車動力學仿真平臺，實現(xiàn)動力學建模、仿真、后處理、輸出報告的參數(shù)化和自動化，對提高仿真效率，減少錯誤，降低軟件使用門檻有著積極意義。

1 動力學分析的一般過程

鐵路貨車動力學分析一般分為4個步驟，如圖1所示。

圖1 鐵路貨車動力學分析的一般流程

對鐵路貨車進行動力學分析前，先要將車輛進行合理的簡化，建立一個由多個剛體(或剛彈體)組成的仿真模型來替代真實車輛，模型中的物體通過運動副和力元來連接［2-3］。

仿真模型完成后，即可進入分析與求解階段。該階段主要的操作是對計算工況、求解方法、仿真時間等內(nèi)容進行設置和選擇。

結果后處理階段，分析人員可提取關注的仿真結果數(shù)據(jù)，對提取的數(shù)據(jù)，作濾波、截斷、統(tǒng)計等操作，并得到車輛的動力學性能指標。

最后，按照相應的鐵路標準，對車輛的動力學性能進行評價，形成文字報告。

2 總體方案設計

鐵路貨車動力學仿真平臺的思路是使動力學分析的過程盡量參數(shù)化和自動化，減少手動操作，從而提高仿真效率，防止出錯，降低分析難度。

為實現(xiàn)參數(shù)化，平臺使用了大量的模板。鐵路貨車的動力學結構主要由轉向架決定，常用的類型有擺動式、交叉拉桿式、構架式、控制型、低動力型幾種，同種類型鐵路貨車的動力學結構一致，僅參數(shù)存在差異。平臺為每種類型的貨車建立一個動力學模板，模板具備完整的動力學拓撲結構，參數(shù)可從外部輸入和修改。建模時，無需搭建模型，只要選擇相應模板并輸入?yún)?shù)，即可建立一個車輛動力學模型。此外，數(shù)據(jù)后處理、動力學分析報告也按照不同的動力學標準建立了模板，標準包括GB 5599、AAR M1001、AS 7509等［4-6］。為簡化參數(shù)的錄入過程，克服SIMPACK軟件參數(shù)設置界面過多的缺點，平臺將參數(shù)按流程分類，統(tǒng)一在少數(shù)界面里設置，一些靠經(jīng)驗決定的參數(shù)，會提供默認經(jīng)驗值。每個分析流程，只需作簡單的參數(shù)設置，其余操作均在后臺自動運行。比如臨界速度分析，當輸入速度區(qū)間后，即可自動搜索臨界速度。

按照上述思路，平臺總體分為兩大部分，數(shù)據(jù)庫和軟件工具集成環(huán)境，如圖2所示。數(shù)據(jù)庫包括車輛系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、軌道譜及輪軌型面數(shù)據(jù)庫、車輛動力學試驗數(shù)據(jù)庫、分析腳本及結果數(shù)據(jù)庫。軟件工具集成環(huán)境包含了仿真分析的各個流程。除了傳統(tǒng)的建模、仿真分析、后處理流程外，新增了模型置信度分析流程和參數(shù)化分析流程。模型置信度分析流程用來進行仿真結果和試驗數(shù)據(jù)的對比，驗證模型的正確性，為模型的修正和改進提供依據(jù)。參數(shù)化分析流程用來分析參數(shù)變化對車輛動力學性能的影響規(guī)律，從而指導動力學參數(shù)的設計。

圖2 仿真平臺架構框圖

3 仿真數(shù)據(jù)庫的開發(fā)

數(shù)據(jù)庫是仿真平臺的基礎，其結構的合理性決定了整個平臺的效率。仿真數(shù)據(jù)庫需包含車輛系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、輪軌及線路數(shù)據(jù)庫，這兩類數(shù)據(jù)庫是平臺搭建時建立起來的。仿真數(shù)據(jù)庫還包含車輛動力學試驗數(shù)據(jù)庫、分析腳本及結果數(shù)據(jù)庫，是平常使用時添加和積累起來的。

(1)車輛系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)

該數(shù)據(jù)庫包含不同類型的車體及轉向架的全參數(shù)化子結構模板。車體考慮為一個剛性體，僅包含質(zhì)量和幾何尺寸信息，共6個自由度。轉向架的子結構較復雜，考慮了搖枕、側架、軸箱、輪對等部件，各部件有不同的自由度，部件間通過力元和鉸接聯(lián)系［2］。圖3為某低動力型轉向架子結構模板的拓撲結構圖。在仿真平臺上建模時，子結構模板被調(diào)用，賦予參數(shù)，生成車體或轉向架的子結構，再進行裝配和稱重，即得到一個完整的車輛動力學模型。

(2)軌道譜數(shù)據(jù)庫的開發(fā)

平臺按照經(jīng)典車輛動力學理論，假設軌道系統(tǒng)為剛性支撐(即剛性固定邊界)，不考慮軌道系統(tǒng)振動對車輛系統(tǒng)的動態(tài)影響，而將軌面幾何不平順視為車輛系統(tǒng)的外部激擾，研究車輛運行安全性和平穩(wěn)性［7］。軌面幾何不平順常用軌道譜描述，根據(jù)動力學仿真的一般性要求，使用SIMPACK軟件的軌道譜工具箱建立國外(主要是德國譜、美國譜)及國內(nèi)(主要是中南大學和中國鐵道科學研究院譜)的軌道譜數(shù)據(jù)文件。圖4為平臺自建的美國五級譜的垂向部分。

(3)輪軌型面數(shù)據(jù)庫的開發(fā)

使用SIMPACK軟件的車輪及軌道型面工具箱建立標準、磨耗、過度磨耗踏面外形數(shù)據(jù)文件，模擬新造、正常運營和過度使用車輛的輪對踏面外形。同時，根據(jù)國內(nèi)外主干線軌道截面數(shù)據(jù)，建立標準線路、磨耗線路的軌頭型面數(shù)據(jù)庫。圖5為60 kg鋼軌的軌頭型面，圖6為LM型車輪踏面。

圖3 轉向架字結構拓撲結構圖

圖4 美國5級軌道垂向不平順激勵曲線

圖5 60 kg/m鋼軌軌頭型面

圖6 LM型車輪踏面

4 仿真流程的開發(fā)

為使動力學分析的過程清晰，需要將動力學分析的一般過程進行整合，形成仿真流程。仿真平臺共有5個流程，分別是車輛建模流程、仿真分析流程、結果后處理流程、模型置信度分析流程和參數(shù)化分析流程。平臺采用SIMPACK 2次開發(fā)語言QSA(Qt應用腳本)編寫仿真流程［8］。

(1)車輛建模流程

分為建立子結構、子結構裝配、初始狀態(tài)設置3個部分，如圖7所示。子結構模板有車體和轉向架兩種，關聯(lián)著不同的參數(shù)錄入界面。用戶完成參數(shù)輸入后，平臺將參數(shù)值賦給相應的子結構模板，即可生成新的子結構。用戶指定好車體和前后轉向架的子結構，后臺自動完成車輛的裝配，稱重，車輛模型即可用于仿真計算。

(2)仿真計算流程

主要用來設置車輛運行工況，仿真結束條件，傳感器(位置、采樣頻率等)，需要輸出的計算結果等內(nèi)容。鐵路貨車動力學仿真有3類分析項目，臨界速度分析、長大直線分析和曲線通過分析，這3類分析需要設置的內(nèi)容見表1所示。

圖7 車輛建模的流程

表1 仿真計算流程設置內(nèi)容

(3)計算結果后處理流程

按照相關的鐵路行業(yè)標準(GB5599、AAR M1001、AS7509等)，分析計算結果，并形成分析報告。用戶指定了標準和仿真結果文件后，平臺自動提取出標準所關注的數(shù)據(jù)項，并按照規(guī)定的方法進行數(shù)據(jù)處理，得出車輛的動力學性能值，再評定動力學性能的等級及是否合格等，最后形成報告。

(4)模型置信度分析流程

該流程將仿真結果與試驗數(shù)據(jù)作對比分析，從而判斷動力學模型是否合理，為模型的改進提供依據(jù)。用戶指定要分析的數(shù)據(jù)項，平臺計算出仿真與試驗之間的相對誤差，最后得到置信度分析報告。對比的數(shù)據(jù)項主要是加速度和力，可以在時域和頻域上作對比。若模型的置信度不高，需要對參數(shù)錄入和工況設置進行檢查，如果這些沒問題，則需要對動力學模板本身作修改，直至置信度達到要求。

(5)參數(shù)化分析流程

用來分析參數(shù)變化對車輛動力學性能的影響規(guī)律。用戶設置好變化參數(shù)的值，平臺依次將參數(shù)值賦給車輛模型，計算出動力學性能指標。最后，平臺將參數(shù)與動力學性能指標間的對應關系繪制在二維圖或三維圖中，形成參數(shù)化分析報告。

5 仿真平臺實例

以某出口型貨車為例，使用仿真平臺搭建動力學模型，如圖8所示。該車的轉向架為低動力型，軸重25 t，一系有彈性橡膠彈簧和剪切墊板，帶交叉拉桿裝置。使用該模型，在典型工況下進行了動力學仿真，將平臺仿真結果與直接使用SIMPACK軟件建模和仿真得到的結果進行了對比，如.所示。平臺和手工仿真的結果比較接近，存在誤差是由于模板搭建人員與手工建模人員的建模思路略有差異。

圖8 車輛動力學模型

表2 平臺與手動分析結果對比

使用模型置信度分析模塊對仿真結果與線路試驗數(shù)據(jù)作對比，如圖9所示。仿真模型車體橫向加速度的幅度誤差為0.22，相位誤差為0.17，綜合誤差為0.28;車體垂向加速度的幅度誤差為0.25，相位誤差為0.13，綜合誤差為0.28，表明仿真結果與試驗數(shù)據(jù)較吻合［9］，動力學模型合理可靠。

圖9 模型置信度分析結果

使用參數(shù)化分析模塊分析了軸箱橡膠彈簧的橫向剛度(ConeRubberSpring_c_y)和垂向剛度(ConeRubber-Spring_c_z)對脫軌系數(shù)(Q/P)的影響規(guī)律，如圖10所示。空車狀態(tài)下，車輛以100 km/h的速度通過半徑為600m的曲線，當橫向剛度取4.4MN/m、垂向剛度取15.5 MN/m時，脫軌系數(shù)最小，為0.45;當橫向剛度取4.4 MN/m、垂向剛度取19 MN/m時，脫軌系數(shù)最大，為0.5。

圖10 參數(shù)化分析結果

6 結束語

通過開發(fā)動力學仿真平臺，代替以前手工建模、仿真和后處理的動力學分析方式，大大縮短了動力學分析的時間，減小了出錯幾率，降低了SIMPACK軟件的使用門檻，達到了固化仿真標準、經(jīng)驗和知識的目的。

［1］ 嚴雋耄，傅茂海.車輛工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2011.

［2］ 王勇，曾京，呂可維.三大件轉向架貨車動力學建模與仿真［J］.交通工程運輸學報，2003，4(3):30-34.

［3］ 劉鳳偉，張良威.鐵路貨車動力學仿真分析與線路測試結果一致性研究［J］.鐵道機車車輛，2012，32(3):9-13.

［4］ GB 5599－85:鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范［S］.1985.

［5］ AAR M－1001:Manuals of Standards and Recommended Practices Design，F(xiàn)abrication and Construction of Freight Cars［S］.2007.

［6］ AS 7509.2:Australian Standards-Railway Rolling Stock Dynamic Behavior-Part 2:Freight Rolling Stock［S］.2009.

［7］ 翟婉明.車輛—軌道耦合動力學(第3版)［M］.北京:科學出版社，2007.

［8］ 周素霞，陶永忠.SIMPACK9實例教程［M］.北京:北京聯(lián)合出版社，2013.

［9］ Robert Fries，Russell Walker，Nicholas Wilson.Validation of Dynamic Rail Vehicle Models［J］.Qingdao:IAVSD 2013 Conference，2013.

Research on Dynamic Simulation Platform of Rolling Stock

ZOU Deshun1，ZHANG Zhaofeng1，JIANG Ruijin1，TAO Yongzhong2，YANG Jizhen2
(1 Yangtze Rolling Stock CSR，Wuhan 430212 Hubei，China; 2 GET Group，Beijing 100190，China)

This paper discusses the design and realization of dynamic simulation platform of rolling stock on the basis of SIMPACK software.An overall architecture is proposed for rolling stock dynamic simulation platform based on the analysis of dynamic simulation characteristics.It focuses on the introduction of implementation methods of 5 modules which belongs to the platform，including vehicle modeling，simulation，post process，confidence analysis and parametric analysis.Finally，the platform is used to carry out dynamic simulation to specific type of rolling stock，and some calculation results are revealed.The platform，which improves efficiency and accuracy of dynamic simulation，makes the usage of SIMPACK software easier，and provides strong support for research and development of rolling stock products，will have more valuable application.

rolling stock;dynamic;simulation platform;SIMPACK

U270.1+1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.14

1008－7842(2015)02－0058－05

6—)男，高級工程師(

2014－09－30)