一种铁道车辆橡胶元件的动态仿真建模方法

摘要

发明公开了一种铁道车辆橡胶元件的动态仿真建模方法，包括以下操作：S1，建立车辆‑轨道三维耦合振动计算模型，通过数值计算得到轮轨耦合振动条件下车辆车体、构架、轮对间的相对位移；S2，构建橡胶元件悬挂力计算模块，该模块用于计算橡胶元件提供的弹性力、摩擦力和粘滞力；S3，将S2中的计算所得的弹性力、摩擦力和粘滞力进行叠加，输出橡胶元件提供的总力，并将其反馈至车辆的车体、构架、轮对；S4，重复步骤S1‑S3的操作；S5，实时输出橡胶元件的位移与其提供的悬挂力，得到力‑位移变化曲线；该模型仿真程度高，求解速度快，可实时输出复杂轮轨相互作用条件下橡胶元件的位移与其提供的悬挂力，从而得到该元件的迟滞特性曲线。

说明书

技术领域

发明属于轨道交通技术领域，具体涉及一种铁道车辆橡胶元件的动态仿真建模方法。

背景技术

随着铁道车辆运营里程的增加，新车及新修线路的运营维护问题愈发显著。作为一种常见的外部激励，轮轨表面磨耗造成的短波不平顺将极大地加剧轮轨间的相互作用与振动。在这种恶劣的运行环境下，若铁道车辆转向架的悬挂系统不能很好地将轮轨间的高频振动与构架和车体隔离，则将导致整个车辆发生高频颤振，从而加剧车辆各结构部件的疲劳破坏并严重威胁其使用寿命。因此，为确保复杂环境状态下铁道车辆的长期服役性能，亟需建立更符合实际运营工况的悬挂元件模型，并系统研究复杂服役环境下悬挂元件动态非线性性能对铁道车辆系统动力学性能及振动传递特性的影响规律，从而为我国铁道车辆转向架系统的优化设计提供理论与技术支撑。

在不同外力作用下，橡胶元件表现出的力学特性是不同的，具体可分为静力学模型与动力学模型。关于橡胶元件静态力学特性的研究主要集中在橡胶材料的本构模型及参数的实验获取方法、静态力分析方法等方面，且其研究工作已相对成熟。对于橡胶元件的动态特性的特性研究则相对缓慢，尤其是在对此特别关注的铁路领域。橡胶元件的动力学特性与车辆的动力学性能及高频振动的传递特性均有很大关系，因而与车辆零部件的疲劳寿命及行车安全直接相关。在转向架橡胶元件匹配设计中，橡胶元件动态特性相对复杂，预加载荷、激励频率、振幅及外界温度都对其动态特性有很大影响。

目前，国内外对于铁道车辆悬挂系统中橡胶元件的建模方法大多仍采用早期的线性化建模方法，具体有如下的局限性：

1.无法体现橡胶元件的频率相关性、幅值相关性、预载荷特性。

2.现有的部分模型充分考虑橡胶材料的实际物理特性，并引入了较多的表征参数，但由于其模型过于复杂且计算耗时，故不适用于铁道车辆系统动力学的实时仿真分析。

发明内容

为克服上述存在之不足，发明的发明人通过长期的探索尝试以及多次的实验和努力，不断改革与创新，提出了一种铁道车辆橡胶元件的动态仿真建模方法，其充分考虑铁道车辆橡胶元件刚度随着激励频率、幅值变化的特性，计算得到的仿真数据能较好地反映实际情况，同时兼顾了求解速度，适用于铁道车辆系统动力学的在线仿真计算，实时输出复杂轮轨相互作用条件下橡胶元件的位移与其提供的悬挂力，从而得到该元件的迟滞特性曲线。

为实现上述目的发明所采用的技术方案是：提供一种铁道车辆橡胶元件的动态仿真建模方法，包括以下操作：

S1，基于多体动力学理论，建立车辆-轨道三维耦合振动计算模型，通过数值计算得到轮轨耦合振动条件下车辆车体、构架、轮对间的相对位移；

S2，基于弹塑性理论构建橡胶元件悬挂力计算模块，该模块用于计算橡胶元件提供的弹性力、摩擦力和粘滞力；

S3，将S2中的计算所得的弹性力、摩擦力和粘滞力进行叠加，输出橡胶元件提供的总力，并将其反馈至车辆的车体、构架、轮对；

S4，重复步骤S1-S3的操作，实现对橡胶元件进行动态仿真计算；

S5，实时输出橡胶元件的位移与其提供的悬挂力，得到力-位移变化曲线。

根据发明所述的一种铁道车辆橡胶元件的动态仿真建模方法，其进一步的优选技术方案是：车辆-轨道三维耦合振动计算模型包括三个子模块：

车辆系统子模块，基于多体动力学理论建立；

轨道系统子模块，根据实际线路条件建立；

轮轨相互作用子模块，依据轮轨几何型面建立。

根据发明所述的一种铁道车辆橡胶元件的动态仿真建模方法，其进一步的优选技术方案是：车辆系统子模块和轨道系统子模块之间通过轮轨相互作用子模块连接，使车辆系统子模块、轨道系统子模块、轮轨相互作用子模块形成车辆-轨道三维耦合振动计算模型。

根据发明所述的一种铁道车辆橡胶元件的动态仿真建模方法，其进一步的优选技术方案是：机车模型的车体、构架和轮对均考虑纵向、横向、垂向、侧滚、点头和摇头6个方向的运动。

根据发明所述的一种铁道车辆橡胶元件的动态仿真建模方法，其进一步的优选技术方案是：各悬挂部件除橡胶元件外均采用普通的弹簧阻尼单元进行模拟。

根据发明所述的一种铁道车辆橡胶元件的动态仿真建模方法，其进一步的优选技术方案是：轨道模型采用有砟轨道模型。

根据发明所述的一种铁道车辆橡胶元件的动态仿真建模方法，其进一步的优选技术方案是：轮轨相互作用模型中，轮轨接触几何关系采用空间动态耦合模型；轮轨法向力的求解采用Hertz非线性弹性接触理论；轮轨蠕滑力的计算采用Kalker线性理论，并结合沈氏理论进行非线性修正。

根据发明所述的一种铁道车辆橡胶元件的动态仿真建模方法，其进一步的优选技术方案是：橡胶元件悬挂力计算模块将橡胶元件总力分解为弹性力、摩擦力和粘滞力三个力分别进行计算，引入线性弹簧用来表征橡胶元件的静态特性，引入摩擦力来体现振动幅值对橡胶动态特性的影响，引入分数阶微分粘弹性力来体现不同频率的激扰对橡胶元件动态特性的影响

相比现有技术，发明的技术方案具有如下优点/有益效果：

1、本发明基于弹塑性理论，充分考虑铁道车辆橡胶元件刚度随着激励频率、幅值变化的特性，计算得到的仿真数据能较好地反映实际情况；

2、本发明在考虑了模型准确性的同时兼顾了仿真计算的求解速度，适用于铁道车辆系统动力学的在线仿真计算；

3、根据本发明提供的方法，可实时输出复杂轮轨相互作用条件下橡胶元件的位移与其提供的悬挂力，从而得到该元件的迟滞特性曲线。

附图说明

为了更清楚地说明发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明操作流程示意图。

图2是实施例中输出的橡胶节点整个动态历程的力-时间变化曲线。

图3是实施例中输出的橡胶节点整个动态历程的力-位移变化曲线。

图4是实施例中输出的2-3s稳态过程中橡胶节点的力-位移变化曲线。

图5是实施例中输出的6-7s下降过程中橡胶节点的力-位移变化曲线。

图6是实施例中输出的15-16s稳态过程中橡胶节点的力-位移变化曲线。

具体实施方式

为使发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于发明保护的范围。因此，以下提供的发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的发明的范围，而是仅仅表示发明的选定实施方式。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中可以不对其进行进一步定义和解释。

实施例：

一种铁道车辆橡胶元件的动态仿真建模方法，包括以下操作：

S1，基于多体动力学理论，建立车辆-轨道三维耦合振动计算模型，通过数值计算得到轮轨耦合振动条件下车辆各结构部件间的相对位移；此处数值计算是指数值求解方法，具体指求解微分方程的方法：如Newmark-β法、龙格库塔法等计算方法；

S2，基于弹塑性理论构建橡胶元件悬挂力计算模块，该模块用于计算橡胶元件提供的弹性力、摩擦力和粘滞力；

S3，将S2中的计算所得的弹性力、摩擦力和粘滞力进行叠加，输出橡胶元件提供的总力，并将其反馈至车辆各部件；

S4，重复步骤S1-S3的操作，实现对橡胶元件进行动态仿真计算；

S5，实时输出橡胶元件的位移与其提供的悬挂力，得到力-位移变化曲线。

其中，车辆-轨道三维耦合振动计算模型包括三个子模块：车辆系统子模块，基于多体动力学理论建立；轨道系统子模块，根据实际线路条件建立；轮轨相互作用子模块，依据轮轨几何型面建立。车辆系统子模块和轨道系统子模块之间通过轮轨相互作用子模块连接，使车辆系统子模块、轨道系统子模块、轮轨相互作用子模块形成车辆-轨道三维耦合振动计算模型。

本实施例建立了单节机车的多体动力学模型，其中机车模型参考了国内某型号电力机车的结构参数，包含一个车体、两个构架、两个牵引拉杆、四个牵引电机和四个轮对，机车模型的车体、构架和轮对均考虑纵向、横向、垂向、侧滚、点头和摇头6个方向的运动。各悬挂部件除橡胶元件外均采用普通的弹簧阻尼单元进行模拟，其他非橡胶悬挂部件采用弹簧阻尼力元进行模拟，即机车上各部件由弹簧、减振器、橡胶元件连接，起到力的传递及缓冲作用。其中弹簧和减振器采用弹簧阻尼力元进行模拟，橡胶元件则采用本专利发明提出的建模方法进行模拟。轨道模型考虑了国内电力机车普遍采用的有砟轨道，由钢轨、扣件、轨枕、道床和路基组成。

轮轨相互作用模型中，轮轨接触几何关系采用空间动态耦合模型；轮轨法向力的求解采用Hertz非线性弹性接触理论；轮轨蠕滑力的计算采用Kalker线性理论，并结合沈氏理论进行非线性修正。

此外，基于弹塑性理论，构建橡胶元件悬挂力计算模块。该模块将橡胶元件总力F

F

首先引入线性弹簧用来表征橡胶元件的静态特性：

F

其中，x为橡胶变形量，k为橡胶材料提供的刚度。

接着引入摩擦力来体现振动幅值对橡胶动态特性的影响：

其中，u＝F

最后引入分数阶微分粘弹性力来体现不同频率的激扰对橡胶元件动态特性的影响：

其中，b为橡胶材料的阻尼系数；α为分数阶微分阶数，且0<α<1；

根据Grünwald定义，式(4)中的分数阶微分可由式(5)和式(6)进行计算：

其中，Δt为积分步长；N为截断阶数，Γ(·)为伽马函数。

该实施例中，车辆以运行70km/h的速度惰行通过曲线，实时输出橡胶定位节点处传递的力。具体线路参数为：缓和曲线80m,圆曲线240m,曲线半径为400m。图2所示为橡胶定位节点力的纵向力随时间变化的曲线。可以看出，节点力的动态变化经历了稳态-下降-稳态-上升-稳态的过程，这是由于线路呈直线-缓和曲线-圆曲线-缓和曲线-直线分布方式。

图3为橡胶定位节点处的纵向力-位移变化曲线。可以发现，其动态历程不同于传统的线性弹簧-阻尼单元模型，而是呈现出相应的迟滞特性。整个迟滞曲线为狭窄的条状型，表现出了一定的非线性特性。

图4所示为2～3s稳态过程中橡胶定位节点处的纵向力-位移变化曲线。由于未受到外界激扰，整个系统逐渐向平衡，故该过程中力-位移曲线呈环状向平衡位置(0,0)处收敛。

图5对应了6～7s节点力下降过程。该过程中力-位移变化曲线未表现出迟滞特性，而是沿着斜直线波动下降。

图6为另一稳态过程15～16s时橡胶定位节点处的纵向力-位移变化曲线。该过程表现出明显的迟滞特性，同样呈封闭的环状，体现了橡胶材料的动态特性。

由此可知采用该方法，成功实现铁道车辆橡胶元件的动态仿真建模。

名词解释：

多体系统动力学理论：分别将车辆各部件(车体、轮对、构架)抽象为物体，物体间的相互作用由力元实现，外界对物体的作用由外力(偶)实现，通过数值计算求解物体的动力学响应(位移、速度、加速度)。

在发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。

在发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

以上仅是发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对发明的限制，发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为发明的保护范围。