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(tuán)，北京100190)

鐵路貨車動力學(xué)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(tuán)，北京100190)

以鐵路貨車為應(yīng)用對象，論述了基于SIMPACK軟件的動力學(xué)仿真平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在研究了鐵路貨車動力學(xué)分析特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了車輛動力學(xué)仿真平臺的總體構(gòu)架。有重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)方法。最后使用平臺對某型貨車進(jìn)行了動力學(xué)分析，并展示了部分計(jì)算結(jié)果。該平臺提高了動力學(xué)仿真的效率和準(zhǔn)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(jìn)提供了有力的支持，具有很好的應(yīng)用價值。

鐵路貨車;動力學(xué);仿真平臺;SIMPACK

動力學(xué)性能是考核鐵路貨車性能的重要內(nèi)容，直接關(guān)系到車輛的運(yùn)行安全和使用壽命［1］。車輛設(shè)計(jì)時，需要反復(fù)對動力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證，確保各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求。目前，鐵路貨車企業(yè)普遍使用商業(yè)軟件進(jìn)行動力學(xué)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(xué)分析，無論是建模、仿真還是結(jié)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(xué)模型較復(fù)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(fù)雜，要求使用者熟悉動力學(xué)相關(guān)理論，這限制了一般設(shè)計(jì)人員的使用。

開發(fā)鐵路貨車動力學(xué)仿真平臺，實(shí)現(xiàn)動力學(xué)建模、仿真、后處理、輸出報(bào)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(xué)分析的一般過程

鐵路貨車動力學(xué)分析一般分為4個步驟，如圖1所示。

圖1 鐵路貨車動力學(xué)分析的一般流程

對鐵路貨車進(jìn)行動力學(xué)分析前，先要將車輛進(jìn)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(shí)車輛，模型中的物體通過運(yùn)動副和力元來連接［2-3］。

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

結(jié)果后處理階段，分析人員可提取關(guān)注的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，對提取的數(shù)據(jù)，作濾波、截?cái)?、統(tǒng)計(jì)等操作，并得到車輛的動力學(xué)性能指標(biāo)。

最后，按照相應(yīng)的鐵路標(biāo)準(zhǔn)，對車輛的動力學(xué)性能進(jìn)行評價，形成文字報(bào)告。

2 總體方案設(shè)計(jì)

鐵路貨車動力學(xué)仿真平臺的思路是使動力學(xué)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(shí)現(xiàn)參數(shù)化，平臺使用了大量的模板。鐵路貨車的動力學(xué)結(jié)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)向架決定，常用的類型有擺動式、交叉拉桿式、構(gòu)架式、控制型、低動力型幾種，同種類型鐵路貨車的動力學(xué)結(jié)構(gòu)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(xué)模板，模板具備完整的動力學(xué)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(yīng)模板并輸入?yún)?shù)，即可建立一個車輛動力學(xué)模型。此外，數(shù)據(jù)后處理、動力學(xué)分析報(bào)告也按照不同的動力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)建立了模板，標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置界面過多的缺點(diǎn)，平臺將參數(shù)按流程分類，統(tǒng)一在少數(shù)界面里設(shè)置，一些靠經(jīng)驗(yàn)決定的參數(shù)，會提供默認(rèn)經(jīng)驗(yàn)值。每個分析流程，只需作簡單的參數(shù)設(shè)置，其余操作均在后臺自動運(yùn)行。比如臨界速度分析，當(dāng)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(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫、分析腳本及結(jié)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(jìn)行仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，驗(yàn)證模型的正確性，為模型的修正和改進(jìn)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(xué)性能的影響規(guī)律，從而指導(dǎo)動力學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)。

圖2 仿真平臺架構(gòu)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(chǔ)，其結(jié)構(gòu)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(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫、分析腳本及結(jié)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(zhuǎn)向架的全參數(shù)化子結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向架的子結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，考慮了搖枕、側(cè)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(zhuǎn)向架子結(jié)構(gòu)模板的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。在仿真平臺上建模時，子結(jié)構(gòu)模板被調(diào)用，賦予參數(shù)，生成車體或轉(zhuǎn)向架的子結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行裝配和稱重，即得到一個完整的車輛動力學(xué)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(xué)理論，假設(shè)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(yùn)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(xué)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(xué)和中國鐵道科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)、磨耗、過度磨耗踏面外形數(shù)據(jù)文件，模擬新造、正常運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)向架字結(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(xué)分析的過程清晰，需要將動力學(xué)分析的一般過程進(jìn)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(jié)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(yīng)用腳本)編寫仿真流程［8］。

(1)車輛建模流程

分為建立子結(jié)構(gòu)、子結(jié)構(gòu)裝配、初始狀態(tài)設(shè)置3個部分，如圖7所示。子結(jié)構(gòu)模板有車體和轉(zhuǎn)向架兩種，關(guān)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(yīng)的子結(jié)構(gòu)模板，即可生成新的子結(jié)構(gòu)。用戶指定好車體和前后轉(zhuǎn)向架的子結(jié)構(gòu)，后臺自動完成車輛的裝配，稱重，車輛模型即可用于仿真計(jì)算。

(2)仿真計(jì)算流程

主要用來設(shè)置車輛運(yùn)行工況，仿真結(jié)束條件，傳感器(位置、采樣頻率等)，需要輸出的計(jì)算結(jié)果等內(nèi)容。鐵路貨車動力學(xué)仿真有3類分析項(xiàng)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(shè)置的內(nèi)容見表1所示。

圖7 車輛建模的流程

表1 仿真計(jì)算流程設(shè)置內(nèi)容

(3)計(jì)算結(jié)果后處理流程

按照相關(guān)的鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(GB5599、AAR M1001、AS7509等)，分析計(jì)算結(jié)果，并形成分析報(bào)告。用戶指定了標(biāo)準(zhǔn)和仿真結(jié)果文件后，平臺自動提取出標(biāo)準(zhǔn)所關(guān)注的數(shù)據(jù)項(xiàng)，并按照規(guī)定的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出車輛的動力學(xué)性能值，再評定動力學(xué)性能的等級及是否合格等，最后形成報(bào)告。

(4)模型置信度分析流程

該流程將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對比分析，從而判斷動力學(xué)模型是否合理，為模型的改進(jìn)提供依據(jù)。用戶指定要分析的數(shù)據(jù)項(xiàng)，平臺計(jì)算出仿真與試驗(yàn)之間的相對誤差，最后得到置信度分析報(bào)告。對比的數(shù)據(jù)項(xiàng)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(shè)置進(jìn)行檢查，如果這些沒問題，則需要對動力學(xué)模板本身作修改，直至置信度達(dá)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(xué)性能的影響規(guī)律。用戶設(shè)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(jì)算出動力學(xué)性能指標(biāo)。最后，平臺將參數(shù)與動力學(xué)性能指標(biāo)間的對應(yīng)關(guān)系繪制在二維圖或三維圖中，形成參數(shù)化分析報(bào)告。

5 仿真平臺實(shí)例

以某出口型貨車為例，使用仿真平臺搭建動力學(xué)模型，如圖8所示。該車的轉(zhuǎn)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(jìn)行了動力學(xué)仿真，將平臺仿真結(jié)果與直接使用SIMPACK軟件建模和仿真得到的結(jié)果進(jìn)行了對比，如.所示。平臺和手工仿真的結(jié)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(xué)模型

表2 平臺與手動分析結(jié)果對比

使用模型置信度分析模塊對仿真結(jié)果與線路試驗(yàn)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(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合［9］，動力學(xué)模型合理可靠。

圖9 模型置信度分析結(jié)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?？哲嚑顟B(tài)下，車輛以100 km/h的速度通過半徑為600m的曲線，當(dāng)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(dāng)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(jié)果

6 結(jié)束語

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

［1］ 嚴(yán)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(zhuǎn)向架貨車動力學(xué)建模與仿真［J］.交通工程運(yùn)輸學(xué)報(bào)，2003，4(3):30-34.

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

［4］ GB 5599－85:鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)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(xué)(第3版)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［8］ 周素霞，陶永忠.SIMPACK9實(shí)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)