Simpack在鐵路貨物運(yùn)輸課程教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，鐵路車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)仿真的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。在鐵路貨物運(yùn)輸課程中，應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)可以讓學(xué)生清晰的了解鐵路貨運(yùn)中相關(guān)工程問題的原理，提高教學(xué)效果，讓學(xué)生更加深刻掌握理論知識(shí)并應(yīng)用于實(shí)踐，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：車輛動(dòng)力學(xué) 貨物運(yùn)輸 Simpack 教學(xué)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（a）-0121-02

鐵路是國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，交通運(yùn)輸體系的骨干，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的先行部門。鐵路貨物運(yùn)輸是鐵路運(yùn)輸專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。對(duì)于鐵路貨物運(yùn)輸課程中的工程問題，目前教學(xué)過程中主要通過圖解、幾何分析的方法進(jìn)行講授，但內(nèi)容枯燥，學(xué)生興趣不高，在很大程度上影響到本課程的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。實(shí)踐表明，在教學(xué)中適當(dāng)引入工程類軟件，對(duì)課程中涉及的相關(guān)問題進(jìn)行建模和仿真，不僅可以把一些抽象的概念、原理轉(zhuǎn)化成為生動(dòng)形象的內(nèi)容，直觀表達(dá)貨物運(yùn)輸過程的結(jié)構(gòu)組成，而且還可以分析整體及各組成部分的運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)特性，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)中的不足[1-2]。

1 Simpack多體動(dòng)力學(xué)分析軟件

SIMPACK軟件是德國(guó)INTEC Gmbh公司開發(fā)的針對(duì)機(jī)械/機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)仿真分析的多體動(dòng)力學(xué)分析軟件包。它以多體系統(tǒng)計(jì)算動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，包含多個(gè)專業(yè)模塊和專業(yè)領(lǐng)域的虛擬樣機(jī)開發(fā)系統(tǒng)軟件。其鐵路模塊在國(guó)際市場(chǎng)上的占有率達(dá)到了49%，居于首位[3]。利用SIMPACK軟件，可以描述并預(yù)測(cè)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)性能，可以分析其系統(tǒng)的振動(dòng)特性、受力狀況以及零部件的運(yùn)動(dòng)位移、速度、加速度等。其基本原理是通過搭建包括運(yùn)動(dòng)部件、鉸接、約束以及力元素等在內(nèi)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。

2 基于Simpack的鐵路貨物運(yùn)輸課程教學(xué)

以超長(zhǎng)貨物使用一輛四軸貨車裝載，通過平面曲線為例。為保證貨物運(yùn)輸安全、計(jì)算超限等級(jí)，需要確定通過平面曲線時(shí)貨物的外偏差量。參數(shù)如下：NX70型平車，車地板長(zhǎng)15.4 m、轉(zhuǎn)向架中心距10.92 m，貨物總長(zhǎng)20 m、寬度2700 mm、居中裝載，圓曲線半徑300 m。由于貨物寬度小于車地板寬度，只需計(jì)算外偏差量。貨物裝載上車后行經(jīng)圓曲線的俯視示意圖見圖1。

2.1 傳統(tǒng)解法

幾何計(jì)算是車輛在圓曲線上處于完全理想的狀態(tài)，即轉(zhuǎn)向架各部分、車體與轉(zhuǎn)向架的公差、間隙等均不考慮的情形。但在實(shí)際中，由于多個(gè)間隙的存在，轉(zhuǎn)向架中心并不能完全投影在線路中心線上，因此，傳統(tǒng)解法并不能完全反映實(shí)際情況。可見，運(yùn)用傳統(tǒng)的求解方法進(jìn)行計(jì)算，需要學(xué)生對(duì)幾何定理、近似計(jì)算等較為熟悉，但對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)歷較少的學(xué)生來說，傳統(tǒng)解法僅僅是問題的解決，不便于理解掌握。

2.2 Simpack運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

2.2.1 虛擬樣車模型建立

Simpack軟件提供的鐵路模塊可根據(jù)實(shí)際車輛的參數(shù)進(jìn)行虛擬樣車的建立。該文選定的為NX70型平車，裝用轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架。整車模型共有22個(gè)剛體，主要包括貨物1件、車體1個(gè)、搖枕2個(gè)、側(cè)架4個(gè)、承載鞍8個(gè)、下交叉支撐裝置2套、輪對(duì)4對(duì)。其中貨物與車體之間采用零自由度連接，車體與搖枕通過心盤和常接觸旁承連接，搖枕與側(cè)架通過搖枕彈簧相連，側(cè)架與輪對(duì)通過承載鞍連接。受力情況如下：一系懸掛考慮縱向、橫向和垂向剛度，縱向和橫向摩擦力；二系懸掛考慮縱向、橫向和垂向剛度，橫向、垂向摩擦力；心盤與常接觸旁承處考慮摩擦力形成的回轉(zhuǎn)阻力矩；考慮承載鞍與側(cè)架導(dǎo)框的縱向、橫向間隙，搖枕擋與側(cè)架的間隙，間隙消除后構(gòu)件之間為剛性沖擊。對(duì)應(yīng)的整車模型及曲線如圖3所示。

2.2.2 仿真結(jié)果分析

在Solver Setting中將采樣頻率設(shè)置為50 Hz，Vehicle Globals中設(shè)置車輛運(yùn)行速度為50 km/h。在貨物前端中部與線路中心線之間設(shè)置Sensor，實(shí)時(shí)測(cè)量貨物端部的外偏差量。點(diǎn)擊進(jìn)行仿真計(jì)算并輸出結(jié)果。

完成仿真分析后，可以在Simpack后處理中導(dǎo)入結(jié)果文件，輸出各種數(shù)據(jù)曲線并讀取曲線上各點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值，并能夠?qū)\(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)畫回放。圖4顯示了貨物端部在整個(gè)仿真運(yùn)行過程中的外偏差量。可以看出車輛在從直線經(jīng)緩和曲線運(yùn)行至圓曲線、再經(jīng)緩和曲線至直線整個(gè)過程貨物端部外偏差量的變化情況。在圓曲線上時(shí)的外偏差量為128 mm，相比理論計(jì)算大11 mm，因?yàn)樘摂M樣車模型中考慮了轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)之間的間隙及輪軌接觸關(guān)系，相比理論計(jì)算更加能夠反映實(shí)際情況。

仿真模型中可任意增加Sensor的數(shù)量和位置，研究所關(guān)心的位置點(diǎn)在運(yùn)行中的變化情況，并在動(dòng)畫回放中實(shí)時(shí)觀察。圖5即顯示了車輛運(yùn)行在圓曲線上時(shí)貨物端部的外偏差量。

可以看出，Simpack軟件在鐵路貨物運(yùn)輸課程教學(xué)中具有極大的優(yōu)越性：（1）有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)解法的不足。對(duì)于工況復(fù)雜的情形，如考查車輛前轉(zhuǎn)向架運(yùn)行于緩和曲線上、后轉(zhuǎn)向架仍然在直線上時(shí)的貨物端部外偏差量，數(shù)學(xué)計(jì)算則相當(dāng)繁瑣，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力分析研究。對(duì)于接觸工程現(xiàn)場(chǎng)較少的學(xué)生很難掌握和理解，應(yīng)用Simpack仿真演示則問題迎刃而解。（2）不僅能夠直觀的演示出貨物運(yùn)輸過程的情況，而且可以輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行后期分析。便于學(xué)生對(duì)于所研究問題的理解和掌握，也極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。課后可方便的進(jìn)行練習(xí)，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)相關(guān)軟件的學(xué)習(xí)和掌握。

3 結(jié)語

該文研究Simpack軟件在鐵路貨物運(yùn)輸課程教學(xué)中的應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行鐵路貨運(yùn)中相關(guān)工程問題的教學(xué)。在實(shí)際教學(xué)中給予學(xué)生多體動(dòng)力學(xué)/運(yùn)動(dòng)學(xué)基本原理和方法的介紹，并應(yīng)用Simpack軟件進(jìn)行建模、仿真，并解決課程中遇到的實(shí)際問題，將抽象的問題通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)展現(xiàn)，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，如果能夠掌握Simpack軟件的使用，可提高學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳賽克.Solidworks軟件在機(jī)械原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2013（6）：146-150.

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[3] 陳超.鐵路通用貨車重車重心合理限制高度的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.