李 響, 張嘉鷺, 劉鳳國

(江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

當(dāng)今,世界各國間的高速鐵路競爭愈加激烈,據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2021年,共有20多個(gè)國家及地區(qū)正在修建或規(guī)劃修建高速鐵路[1]．我國經(jīng)過十幾年的高速鐵路建設(shè),目前,除西藏和澳門外,其他省份均開通了高速鐵路．到2025年,我國鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)17.5萬km,其中高速鐵路約為3.8萬km[2]．

高速鐵路的快速發(fā)展需要大量的專業(yè)人員,為此,國內(nèi)多所高校開設(shè)了面向軌道交通領(lǐng)域的車輛工程專業(yè)．在專業(yè)人才培養(yǎng)過程中,實(shí)驗(yàn)教學(xué)占有重要地位．由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在設(shè)備復(fù)雜、成本高以及耗時(shí)長等局限性,車輛工程專業(yè)授課過程多采用理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)器材參觀等方式,但這容易導(dǎo)致學(xué)生缺少對(duì)車輛和軌道結(jié)構(gòu)組成的系統(tǒng)性認(rèn)知,從而很難將所學(xué)知識(shí)與實(shí)際運(yùn)行工況相結(jié)合[3]．

建立基于軟件技術(shù)的車輛工程專業(yè)教學(xué)仿真模型,能夠有效解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的困境:1)有效降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本．仿真軟件可在界面中添加傳感器模塊,獲得車輛-軌道數(shù)據(jù),緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備購置經(jīng)費(fèi)短缺、實(shí)驗(yàn)場地緊張以及測試技術(shù)難以保證等問題[4]．2)合理優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源．仿真軟件通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),可以與機(jī)房實(shí)訓(xùn)同步操作,實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化和開放共享[5-6],不受學(xué)習(xí)地點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制．3)極大地提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果．仿真模型能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)可視化、裝配關(guān)系動(dòng)態(tài)化[7],獲得車輛在設(shè)計(jì)的線路條件和軌道激勵(lì)下運(yùn)行時(shí)的響應(yīng)輸出．

1 仿真模型的建立

有限元理論和動(dòng)力學(xué)方法作為車輛-軌道系統(tǒng)研究的常見手段,從靜態(tài)輪軌接觸精細(xì)化建模和車輛-軌道系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可視化效果2個(gè)方面實(shí)現(xiàn)仿真教學(xué)的實(shí)際價(jià)值．本文應(yīng)用仿真軟件HyperMesh和Simpack分別建立輪軌接觸有限元模型和車輛-軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況確定邊界條件和等效模擬．

1.1 輪軌接觸有限元模型

1.1.1 有限元分析方法隨著我國軌道交通逐漸向重載和高速方面發(fā)展,車輪與鋼軌相互作用導(dǎo)致輪軌出現(xiàn)多種形式的磨損和破壞,如車輪的劃傷、扁疤和多邊形,以及鋼軌型面磨耗和波磨等,這些常見的輪軌磨損可以通過仿真軟件進(jìn)行初期模擬．

有限元分析方法是一種基于數(shù)值分析的方法,其本質(zhì)是將具有無窮多自由度的連續(xù)體劃分為有限自由度的單元體集合,將處理連續(xù)復(fù)雜物體的偏微分方程組轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢薜拇鷶?shù)方程組的求解過程[8]．其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)學(xué)邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、物理概念明確、計(jì)算精度高且處理靈活,能夠有效地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)、優(yōu)化和改進(jìn)．通過HyperMesh軟件進(jìn)行有限元模擬,清晰再現(xiàn)輪軌間微小的相對(duì)位移變化,學(xué)生可以深入了解輪軌接觸狀態(tài)、材料屬性以及約束條件．

1.1.2 輪軌接觸有限元模型的構(gòu)建由于輪軌接觸區(qū)域相對(duì)整個(gè)模型尺寸較小,且接觸區(qū)域應(yīng)力較大,因此,需要對(duì)輪軌接觸區(qū)域進(jìn)行更加細(xì)致的網(wǎng)格劃分,才能得到精確解．

在網(wǎng)格劃分過程中,可以將輪軌模型分為過渡和接觸區(qū)域網(wǎng)格(圖1),有針對(duì)性地建立輪軌接觸有限元模型,結(jié)合車輛實(shí)際運(yùn)行工況確定輪軌接觸邊界條件,得出輪軌作用相關(guān)數(shù)據(jù)．在輪軌接觸有限元模型中,鋼軌底部施加全約束固定,車軸兩端軸箱位置施加縱、橫向約束,車輪兩端施加垂向載荷[9]．

圖1 輪軌接觸示意圖Fig.1 Wheel-rail contact state

1.2 車輛軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

1.2.1 車輛軌道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)車輛系統(tǒng)主要由輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架和車體組成,部件間通過懸掛系統(tǒng)進(jìn)行鉸接．軌道系統(tǒng)主要由鋼軌、扣件、多種形式的軌枕、枕下減振裝置以及道床組成,多層結(jié)構(gòu)可以有效過濾振動(dòng)和噪聲．車輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)在軌道激勵(lì)作用下,通過輪軌接觸實(shí)現(xiàn)力和振動(dòng)的傳遞,統(tǒng)稱為車輛-軌道系統(tǒng)(圖2)．

圖2 車輛-軌道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系Fig.2 The structural relationship on vehicle-track system

1.2.2 車輛軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型的構(gòu)建由于動(dòng)力學(xué)研究的目的不同,整體的簡要研究與局部的詳細(xì)研究在模型精度方面有明顯差異.結(jié)合車輛工程專業(yè)特色和課程設(shè)計(jì)需要,對(duì)車輛重要結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行等效模擬．

利用Simpack軟件設(shè)計(jì)2種仿真模型.1)轉(zhuǎn)向架模型(圖3a)．轉(zhuǎn)向架由輪對(duì)、軸箱、構(gòu)架、懸掛裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置組成,懸掛參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了其動(dòng)力學(xué)性能[10].它是車輛重要承載部件,其結(jié)構(gòu)是否合理直接影響車輛運(yùn)行品質(zhì)、動(dòng)力學(xué)性能和行車安全．本文以加速度為例進(jìn)行試驗(yàn).2)軌道模型．借助軟件,根據(jù)特定需要建立單層或多層軌道結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)減振降噪功能．以連續(xù)扣件和承載均勻的減振材料等效為特定順序排列的彈簧-阻尼力元,建立普通彈性軌道模型(圖3b)．

圖3 車輛-軌道系統(tǒng)仿真模型Fig.3 The simulation models of vehicle-track system

2 仿真效果

2.1 有限元仿真和試驗(yàn)測試對(duì)比

以輪軌接觸斑為例,對(duì)仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析．采用與仿真模型相同的車輪和鋼軌材料試樣,通過輪軌接觸試驗(yàn)臺(tái)得出實(shí)際工況下的輪軌接觸斑形狀和位置.車輪與鋼軌在對(duì)中位置的接觸斑呈現(xiàn)近似規(guī)則的橢圓形(圖4).在相同位置,試驗(yàn)所得接觸斑與有限元仿真接觸斑形狀極為相似:其中試驗(yàn)所得接觸斑長度為24 mm,寬度為12 mm,有限元仿真所得接觸斑長度為25 mm,寬度為14 mm(有限元網(wǎng)格為1 mm見方),數(shù)值相差較小.從接觸斑面積和形狀可以看出,試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果接近．

圖4 接觸斑形狀對(duì)比Fig.4 Comparison of contact spots

2.2 動(dòng)力學(xué)仿真與試驗(yàn)測試布點(diǎn)情況

車輛沿軌道運(yùn)行時(shí),輪軌間的相互作用使得車輛結(jié)構(gòu)產(chǎn)生速度、位移和加速度,車輛隨之產(chǎn)生振動(dòng),直接影響旅客乘坐舒適度．在動(dòng)力學(xué)仿真中,傳感器返回仿真過程中額外的運(yùn)動(dòng)學(xué)測量信息,這些信息用于仿真過程或后處理數(shù)據(jù)輸出.以加速度測試為例,在車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型中,軸箱(A)、轉(zhuǎn)向架(B)和車體(C)的傳感器測試位置見圖5a．

在試驗(yàn)中,加速度測點(diǎn)位置和動(dòng)力學(xué)仿真模型測點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)(圖5b)．通過設(shè)置線路參數(shù)、軌道激勵(lì)以及行車速度,得出車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)輸出結(jié)果．

圖5 加速度測量Fig.5 Acceleration test

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況模擬某線路的車輛運(yùn)行情況,由于篇幅原因,僅以垂向加速度為例．表1為車輛的仿真和試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù),可以看出二者的車體、轉(zhuǎn)向架和軸箱的加速度數(shù)據(jù)比較接近,驗(yàn)證了仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的可行性.

表1 車輛垂向加速度對(duì)比數(shù)據(jù)Tab.1 Comparative data of vertical vehicle acceleration

3 結(jié)語

針對(duì)車輛工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備復(fù)雜且成本較高,場地和時(shí)間受限以及運(yùn)行工況無法再現(xiàn)等問題,根據(jù)實(shí)際的輪軌接觸狀態(tài)和車輛運(yùn)行工況條件,利用軟件HyperMesh和Simpack分別建立輪軌接觸有限元模型和車輛-軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)可視化、裝配關(guān)系動(dòng)態(tài)化的效果,有效解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的困境．將仿真軟件計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性和仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的可行性,體現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值．