本發(fā)明涉及鐵道工程仿真分析領(lǐng)域。更具體地，涉及一種針對(duì)車(chē)軌的動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

隨著鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，為了加快鐵路輸送速度，我國(guó)高速鐵路建設(shè)采用短、順、直的選線(xiàn)原則。在高速鐵路建設(shè)中考慮到不同下部基礎(chǔ)帶來(lái)的運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)、維修等問(wèn)題，需要采用不同的軌道結(jié)構(gòu)，考慮到不同環(huán)境、地形等條件，軌道結(jié)構(gòu)承受的荷載也隨之不同。為了保證高速列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性、軌道結(jié)構(gòu)的正常使用和橋梁隧道的耐久性，針對(duì)各種環(huán)境下的列車(chē)動(dòng)力學(xué)分析顯得尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要是通過(guò)有限元軟件和多體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行分析，有限元軟件能夠詳細(xì)地模擬各結(jié)構(gòu)，但計(jì)算數(shù)據(jù)龐大、速度慢，且無(wú)法準(zhǔn)確模擬輪軌耦合理論，多體動(dòng)力學(xué)軟件計(jì)算速度快，但無(wú)法詳細(xì)模擬軌道基礎(chǔ)設(shè)施。

因此，需要提供一種針對(duì)車(chē)軌的動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析方法與系統(tǒng)，針對(duì)高速、重載、城市軌道交通領(lǐng)域動(dòng)力學(xué)仿真分析中經(jīng)常遇到的車(chē)軌剛?cè)狁詈蠁?wèn)題，提供一種能夠綜合有限元分析軟件和多體動(dòng)力學(xué)軟件的優(yōu)勢(shì)，準(zhǔn)確、快速地對(duì)車(chē)軌進(jìn)行剛?cè)狁詈系膭?dòng)力學(xué)仿真分析的系統(tǒng)與方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種針對(duì)車(chē)軌的動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析方法，本發(fā)明要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種針對(duì)車(chē)軌的動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析系統(tǒng)，以能夠綜合有限元分析軟件和多體動(dòng)力學(xué)軟件的優(yōu)勢(shì)，準(zhǔn)確、快速地對(duì)車(chē)軌進(jìn)行剛?cè)狁詈系膭?dòng)力學(xué)仿真分析。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

本發(fā)明一方面公開(kāi)了一種針對(duì)車(chē)軌的動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：

車(chē)輛分析平臺(tái)，用于建立車(chē)輛模型，生成車(chē)輛模型信息；

軌道分析平臺(tái)，用于建立軌道模型，生成軌道模型信息；

協(xié)同分析平臺(tái)，用于根據(jù)所述車(chē)輛模型信息和所述軌道模型信息生成車(chē)軌系統(tǒng)模型信息，對(duì)所述車(chē)軌系統(tǒng)模型信息構(gòu)建運(yùn)動(dòng)方程，求解得到動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述車(chē)輛分析平臺(tái)包括多體動(dòng)力學(xué)軟件，所述軌道分析平臺(tái)包括有限元分析軟件。

優(yōu)選地，所述車(chē)輛模型包括車(chē)體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)。

優(yōu)選地，所述軌道模型包括鋼軌模型、扣件模型、軌枕模型、道床模型、限位裝置以及下部基礎(chǔ)模型。

優(yōu)選地，所述下部基礎(chǔ)模型包括橋梁模型、路基模型、隧道模型以及過(guò)渡段模型。

優(yōu)選地，所述道床模型包括有砟軌道模型或無(wú)砟軌道模型。

優(yōu)選地，所述車(chē)輛模型信息和軌道模型信息分別包括車(chē)輛模型和軌道模型的幾何參數(shù)、物理參數(shù)、自由度信息、節(jié)點(diǎn)信息和單元信息。

優(yōu)選地，該系統(tǒng)進(jìn)行一步包括后處理模塊，

所述后處理模塊用于根據(jù)所述動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)繪制動(dòng)力響應(yīng)圖表并生成報(bào)告文件。

本發(fā)明另一方面同時(shí)公開(kāi)了一種針對(duì)車(chē)軌的動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析方法，其特征在于，所述方法包括：

s1：通過(guò)車(chē)輛分析平臺(tái)建立車(chē)輛模型，生成車(chē)輛模型信息；

s2：通過(guò)軌道分析平臺(tái)建立軌道模型，生成軌道模型信息；

s3：通過(guò)協(xié)同分析平臺(tái)根據(jù)所述車(chē)輛模型信息和所述軌道模型信息生成車(chē)軌系統(tǒng)模型信息，對(duì)所述車(chē)軌系統(tǒng)模型信息構(gòu)建運(yùn)動(dòng)方程，求解得到動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述方法進(jìn)一步包括s4：根據(jù)所述動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)繪制動(dòng)力響應(yīng)圖表并生成報(bào)告文件。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明綜合了有限元仿真軟件的建模優(yōu)勢(shì)和多體動(dòng)力學(xué)軟件的計(jì)算優(yōu)勢(shì)對(duì)車(chē)軌進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，考慮不同軌道基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)際情況，并準(zhǔn)確反映輪軌接觸關(guān)系。相比只采用多體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行仿真，本發(fā)明可以詳細(xì)考慮不同軌道基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)動(dòng)力響應(yīng)的影響。相比只采用有限元軟件進(jìn)行仿真，本發(fā)明搭載了特定的輪軌接觸模塊，計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。除此之外，本發(fā)明提供了完備的后處理模塊，自行對(duì)獲得的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)完成脫軌系數(shù)、輪重減載率和最大值的統(tǒng)計(jì)分析，并繪制圖表，生成報(bào)告文件。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1示出本發(fā)明一種針對(duì)車(chē)軌的動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析系統(tǒng)的示意圖。

圖2示出本發(fā)明一種針對(duì)車(chē)軌的動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析方法的流程圖。

圖3示出本發(fā)明一種針對(duì)車(chē)軌的動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析系統(tǒng)與方法具體實(shí)施例的車(chē)輛模型的正視圖、左視圖和仰視圖。

圖4示出本發(fā)明一種針對(duì)車(chē)軌的動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析系統(tǒng)與方法具體實(shí)施例的軌道模型的立體圖。

圖5示出本發(fā)明一種針對(duì)車(chē)軌的動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析系統(tǒng)與方法具體實(shí)施例求解得到的輪軌垂向力。

圖6示出本發(fā)明一種針對(duì)車(chē)軌的動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析系統(tǒng)與方法具體實(shí)施例求解得到的輪軌橫向力。

圖7示出本發(fā)明一種針對(duì)車(chē)軌的動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析系統(tǒng)與方法具體實(shí)施例求解得到的脫軌系數(shù)。

圖8示出本發(fā)明一種針對(duì)車(chē)軌的動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析系統(tǒng)與方法具體實(shí)施例求解得到的輪重減載率。

圖9示出本發(fā)明一種針對(duì)車(chē)軌的動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析系統(tǒng)與方法具體實(shí)施例求解得到的鋼軌垂向位移。

圖10示出本發(fā)明一種針對(duì)車(chē)軌的動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析系統(tǒng)與方法具體實(shí)施例求解得到的鋼軌垂向加速度

具體實(shí)施方式

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說(shuō)明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，本發(fā)明公開(kāi)了一種針對(duì)車(chē)軌的動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：車(chē)輛分析平臺(tái)、軌道分析平臺(tái)和協(xié)同分析平臺(tái)。

其中，所述車(chē)輛分析平臺(tái)用于建立車(chē)輛模型，生成車(chē)輛模型信息。優(yōu)選的，車(chē)輛分析平臺(tái)可采用多體動(dòng)力學(xué)軟件建立車(chē)輛模型，更優(yōu)選的，可采用fortran軟件進(jìn)行車(chē)輛的建模。所述車(chē)輛模型可包括車(chē)體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)。

所述軌道分析平臺(tái)用于建立軌道模型，生成軌道模型信息。所述軌道分析平臺(tái)可包括有限元分析軟件，更優(yōu)選的，可采用abaqus軟件進(jìn)行軌道的建模。所述軌道模型可包括鋼軌模型、扣件模型、軌枕模型、道床模型、限位裝置以及下部基礎(chǔ)模型。其中，所述下部基礎(chǔ)模型可包括橋梁模型、路基模型、隧道模型以及過(guò)渡段模型，所述道床模型可包括有砟軌道模型或無(wú)砟軌道模型。

所述協(xié)同分析平臺(tái)用于根據(jù)所述車(chē)輛模型信息和所述軌道模型信息生成車(chē)軌系統(tǒng)模型信息，對(duì)所述車(chē)軌系統(tǒng)模型信息構(gòu)建運(yùn)動(dòng)方程，求解得到動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)。具體的，所述協(xié)同分析平臺(tái)通過(guò)二次開(kāi)發(fā)和文件交互的方法分別導(dǎo)出車(chē)輛和軌道基礎(chǔ)設(shè)施的模型信息，然后在搭載輪軌接觸模塊的協(xié)同分析平臺(tái)上對(duì)導(dǎo)入的車(chē)輛和軌道兩個(gè)模型的模型信息進(jìn)行配對(duì)，并構(gòu)建運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)行系統(tǒng)信息的更新和迭代計(jì)算，得到列車(chē)通過(guò)時(shí)引起的動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)。所述車(chē)輛模型信息和軌道模型信息可分別包括車(chē)輛模型和軌道模型的幾何參數(shù)、物理參數(shù)、自由度信息、節(jié)點(diǎn)信息和單元信息。配對(duì)后的兩個(gè)模型的模型信息也可包括幾何參數(shù)、物理參數(shù)、自由度信息、節(jié)點(diǎn)信息和單元信息。

所述動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析系統(tǒng)進(jìn)行一步包括后處理模塊，所述后處理模塊用于根據(jù)所述動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)繪制動(dòng)力響應(yīng)圖表并生成報(bào)告文件，具體的，用于對(duì)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)脫軌系數(shù)、輪重減載率、最大值的統(tǒng)計(jì)分析，繪制響應(yīng)圖表，并生成報(bào)告文件。

如圖2所示，本發(fā)明同時(shí)公開(kāi)了一種針對(duì)車(chē)軌的動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析方法，所述方法包括：

s1：通過(guò)車(chē)輛分析平臺(tái)建立車(chē)輛模型，生成車(chē)輛模型信息。優(yōu)選的，可采用多體動(dòng)力學(xué)軟件建立車(chē)輛模型，更優(yōu)選的，可采用fortran軟件進(jìn)行車(chē)輛的建模。所述車(chē)輛模型可包括車(chē)體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)。

s2：通過(guò)軌道分析平臺(tái)建立軌道模型，生成軌道模型信息。優(yōu)選的，可采用有限元軟件建立軌道模型，更優(yōu)選的，可采用abaqus軟件進(jìn)行軌道的建模。所述軌道模型可包括鋼軌模型、扣件模型、軌枕模型、道床模型、限位裝置以及下部基礎(chǔ)模型。其中，所述下部基礎(chǔ)模型可包括橋梁模型、路基模型、隧道模型以及過(guò)渡段模型，所述道床模型可包括有砟軌道模型或無(wú)砟軌道模型。

s3：通過(guò)協(xié)同分析平臺(tái)根據(jù)所述車(chē)輛模型信息和所述軌道模型信息生成車(chē)軌系統(tǒng)模型信息，對(duì)所述車(chē)軌系統(tǒng)模型信息構(gòu)建運(yùn)動(dòng)方程，求解得到動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)。具體的，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)以及文件交互的方法分別導(dǎo)出車(chē)輛和軌道基礎(chǔ)設(shè)施的模型信息，然后在搭載輪軌接觸模塊的協(xié)同分析平臺(tái)上對(duì)導(dǎo)入的車(chē)輛和軌道兩個(gè)模型的模型信息進(jìn)行配對(duì)，并構(gòu)建運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)行系統(tǒng)信息的更新和迭代計(jì)算，得到列車(chē)通過(guò)時(shí)引起的動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)。所述車(chē)輛模型信息和軌道模型信息可分別包括車(chē)輛模型和軌道模型的幾何參數(shù)、物理參數(shù)、自由度信息、節(jié)點(diǎn)信息和單元信息。配對(duì)后的兩個(gè)模型的模型信息也可包括幾何參數(shù)、物理參數(shù)、自由度信息、節(jié)點(diǎn)信息和單元信息。

所述方法進(jìn)一步可包括s4：根據(jù)所述動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)繪制動(dòng)力響應(yīng)圖表并生成報(bào)告文件。具體的，對(duì)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)脫軌系數(shù)、輪重減載率、最大值的統(tǒng)計(jì)分析，繪制響應(yīng)圖表，并生成報(bào)告文件。

下面通過(guò)一個(gè)具體實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，某高速列車(chē)直向過(guò)橋?yàn)槔龝r(shí)，速度為300km/h。本實(shí)施例中采用無(wú)砟軌道的形式，軌道板鋪設(shè)在底座板上，底座板鋪設(shè)在橋上，橋梁為鋼箱梁，具體實(shí)施過(guò)程為：首先，在多體動(dòng)力學(xué)軟件中建立車(chē)輛模型，所述車(chē)輛模型包括車(chē)體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)，如圖3所示。其次，在有限元軟件中詳細(xì)建立軌道基礎(chǔ)設(shè)施模型，所述軌道基礎(chǔ)設(shè)施模型包括鋼軌、扣件、軌枕、無(wú)砟軌道和橋梁，如圖4所示。再次，在多體、有限元軟件的基礎(chǔ)上，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，分別導(dǎo)出車(chē)輛和軌道基礎(chǔ)設(shè)施的模型信息，所述模型信息包括：幾何參數(shù)、物理參數(shù)、自由度信息、節(jié)點(diǎn)信息和單元信息。通過(guò)幾何參數(shù)關(guān)聯(lián)，使兩個(gè)模型的信息在新平臺(tái)上配對(duì)形成一個(gè)整體的系統(tǒng)模型信息，該系統(tǒng)模型信息包括幾何參數(shù)、物理參數(shù)、自由度信息、節(jié)點(diǎn)信息和單元信息。在搭載輪軌接觸模塊的新平臺(tái)上，結(jié)合系統(tǒng)模型信息構(gòu)建運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)行系統(tǒng)信息的更新和迭代計(jì)算，得到列車(chē)通過(guò)時(shí)引起的動(dòng)力響應(yīng)。最后，對(duì)協(xié)同仿真平臺(tái)求解完成運(yùn)動(dòng)方程后獲得的各動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)脫軌系數(shù)、輪重減載率、最大值的統(tǒng)計(jì)分析，并繪制響應(yīng)圖表，生成報(bào)告文件。利用該方法可以得到軌道基礎(chǔ)設(shè)施的振動(dòng)加速度、動(dòng)位移等動(dòng)力響應(yīng)，輪軌垂向作用力、輪軌橫向作用力等力的響應(yīng)以及脫軌系數(shù)、減載率等指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5-表10所示，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1計(jì)算結(jié)果

由表1中計(jì)算結(jié)果可知，脫軌系數(shù)和輪重減載率均滿(mǎn)足要求，軌道基礎(chǔ)設(shè)施的垂向位移從上到下依次減小，橋梁的垂向位移最小，鋼軌的垂向位移最大，結(jié)果符合實(shí)際情況。因此，本實(shí)施例表明，本發(fā)明可用于進(jìn)行車(chē)軌剛?cè)狁詈系膭?dòng)力特性的分析。

顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定，對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)，這里無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。