鐵道車輛動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析

劉永強(qiáng)，戴煥云

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鐵道車輛動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析

劉永強(qiáng)，戴煥云

（西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

采用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立鐵道車輛動(dòng)力學(xué)模型，并對其進(jìn)行優(yōu)化分析，調(diào)用SIMPACK計(jì)算不同車輛懸掛參數(shù)下的車輛動(dòng)力學(xué)性能，包括安全性、穩(wěn)定性、舒適性等指標(biāo)。采用脫軌系數(shù)、傾覆系數(shù)、輪軌橫向力評價(jià)指標(biāo)對車輛運(yùn)行安全性進(jìn)行評定，優(yōu)化分析采用最優(yōu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法構(gòu)建了近似模型，經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算，車輛的動(dòng)力學(xué)綜合性能提高了30%以上，每一個(gè)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)都有不同程度的提高。

鐵道車輛；動(dòng)力學(xué)；模型設(shè)計(jì)；可靠性

隨著高速鐵路和重載鐵路的大力發(fā)展[1]，車輛與線路之間的作用力急劇增大[2]，車輛高速和重載運(yùn)行帶來的動(dòng)力學(xué)問題需通過一二系懸掛參數(shù)來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1 車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

車輛動(dòng)力學(xué)的具體內(nèi)容是研究車輛及其主要零部件在各種運(yùn)用情況下，特別是在高速運(yùn)行時(shí)的位移、加速度和由此而產(chǎn)生的動(dòng)作用力。

其目的在于解決下列主要問題：確定車輛在線路上安全運(yùn)行的條件；研究車輛懸掛裝置和牽引緩沖裝置的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和性能對振動(dòng)以及動(dòng)載荷傳遞的影響，并且為這些裝置提供設(shè)計(jì)依據(jù)，從而保證車輛高速、安全和平穩(wěn)地運(yùn)行；確定動(dòng)載荷的特征，為計(jì)算車輛動(dòng)作用力提供依據(jù)。

鐵路車輛在線路上運(yùn)行時(shí)，構(gòu)成一個(gè)極其復(fù)雜的具有多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 車輛動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)簡圖

鐵道機(jī)車車輛系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程組可表示為[3-4]：

車輛動(dòng)力學(xué)的研究方法有試驗(yàn)法、理論分析法和仿真分析法三類[5-6]。

試驗(yàn)法分為在試驗(yàn)線路試驗(yàn)及在正線試驗(yàn)運(yùn)行車輛的線路試驗(yàn)和在滾動(dòng)臺(tái)、振動(dòng)臺(tái)、滾動(dòng)振動(dòng)臺(tái)上運(yùn)行的試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)[7]。理論分析法一般有線性、非線性等簡化或者局部模型的方法。仿真分析方法一般分為三種：主要針對某一方面進(jìn)行研究的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真；大系統(tǒng)和復(fù)雜模型的仿真采用的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；半實(shí)物半仿真的混合仿真。

在車輛動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的不同階段，根據(jù)實(shí)際情況采用這三種設(shè)計(jì)方法中的某一種。在車輛的概念設(shè)計(jì)階段，一般采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，因?yàn)檫@種技術(shù)只需要知道一些基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)和懸掛性能參數(shù)。在車輛動(dòng)力學(xué)具體設(shè)計(jì)中，一般采用混合仿真技術(shù)，這樣就可以確定實(shí)物計(jì)算與計(jì)算機(jī)仿真之間的誤差。在完成試驗(yàn)車輛的生產(chǎn)后，一般通過試驗(yàn)線路及正線試驗(yàn)運(yùn)行，通過檢測儀器記錄車輛動(dòng)力學(xué)的性能，并與車 輛動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，進(jìn)而優(yōu)化車輛動(dòng)力學(xué)性能。

2 SIMPACK車輛動(dòng)力學(xué)建模

2.1 車輛參數(shù)

以曼徹斯特標(biāo)準(zhǔn)中的車輛1為對象，車輛的具體參數(shù)如表1、表2所示。

表1 車輛模型參數(shù)

表2 車輛尺寸

建立車輛動(dòng)力學(xué)模型時(shí)有如下基本假設(shè)：可抽象為體的元件有車體、轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架和搖枕或側(cè)架和搖枕、輪對等；不考慮鋼軌的彈性變形，鋼軌的彈性對于車輛的動(dòng)力學(xué)性能只在高頻時(shí)影響才較大，而在線路的低頻激擾下影響不大，因此對線路只考慮其不平順的激擾；車體、轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)完全對稱，前后轉(zhuǎn)向架相同，基本對稱于車體中心。

2.2 SIMPACK軟件設(shè)置和建模

設(shè)置重力加速度為9.81 m/s2、軸正方向朝下，定義變量構(gòu)建模型主體如圖2所示。定義軌道、設(shè)置彈簧懸掛的彈力參數(shù)，最終生成的模型如圖3所示。

車輛要在直線和試驗(yàn)曲線上都擁有良好的動(dòng)力學(xué)性能。根據(jù)要求設(shè)置兩種線路如表3。

表3 兩種線路的設(shè)置

圖2 示意模型

圖3 車輛動(dòng)力學(xué)模型

3 懸掛參數(shù)優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)化模型由目標(biāo)函數(shù)、約束變量和決策變量三部分組成。由于該設(shè)計(jì)是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題，并且各子目標(biāo)的量綱不相同，所以使用歸一化方法建立目標(biāo)函數(shù)，首先需確定每個(gè)子目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，其為標(biāo)準(zhǔn)值的倒數(shù)[8]。如表4所示，經(jīng)過優(yōu)化后，總目標(biāo)值提高了34.71%。近似模型與直接使用SIMPACK動(dòng)力學(xué)計(jì)算存在一定誤差，故近似模型是否能代替SIMPACK進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是看近似模型的可靠性。

4 結(jié)論

本文采用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK和多學(xué)科優(yōu)化方法進(jìn)行了鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化。通過優(yōu)化分析，改變了懸掛參數(shù)的數(shù)值，使得車輛的動(dòng)力學(xué)性能普遍有了提高。

（1）將多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)運(yùn)用到鐵道車輛的動(dòng)力學(xué)分析，可以求出機(jī)車車輛上各點(diǎn)在空間的位移、速度和加速度，計(jì)算零件之間的相互作用力以及鐵道車輛的動(dòng)力學(xué)性能分析；

表4 不同線路優(yōu)化前后動(dòng)力學(xué)性能指數(shù)

（2）綜合直線線路和曲線線路下的車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，建立懸掛參數(shù)與動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的近似模型，使得計(jì)算效率大大提高；

（3）通過優(yōu)化前后的懸掛參數(shù)對比，發(fā)現(xiàn)減小一二系剛度、增加一二系垂向阻尼，有利于提高車輛動(dòng)力學(xué)性能。

[1]張定賢. 機(jī)車車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M]. 北京：中國鐵道出版社，1995.

[2]繆炳榮. SIMPACK 動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)教程[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

[3]可心萌，呂蒙. 市域鐵路軌道車轉(zhuǎn)向架總體設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析[J]. 機(jī)械，2017，44（9）：1-4.

[4]劉海清. 安全閥閉式排放系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析[J]. 機(jī)械，2017，44（6）：23-27.

[5]GB 5599－85，鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范[S].

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[9]李禮夫，孫利昌. 基于動(dòng)摩擦系數(shù)的微型車離合器起步接合過程動(dòng)力學(xué)仿真[J]. 機(jī)電工程，2017（3）：240-244.

Design and Optimization Analysis of Dynamics Model of Railway Vehicle

LIU Yongqiang，DAI Huanyun

( State Key Laboratory of Traction Power,South west Jiao tong University, Chengdu 610031, China )

In this paper, the multi-body dynamics software SIMPACK was taken for building dynamics model of railway vehicle. The optimization analysis was conducted with multidisciplinary optimization software. Vehicle suspension parameters were calculated with SIMPACK under different vehicle dynamics performance, including safety, stability, comfort and other indicators. Derailment coefficient, overturning coefficient and wheel-rail was used to evaluate the operation safety of the vehicle. Normalized multi-objective optimization method was used to evaluate dynamics integrated performance of the vehicle. After optimization, the vehicle dynamics performance has increased by more than 30%. Every dynamic indicator has been improved to various degrees.

railway vehicle；dynamics；model design；reliability

U270.2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.001

1006－0316 (2018) 12－0001－03

2018－05－30

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助（2016YFB1200501）；牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究項(xiàng)目（2015TPL_Z03）

劉永強(qiáng)（1994－），男，河南漯河人，碩士，主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和車輛－軌道耦合動(dòng)力學(xué)；戴煥云（1966－），男，河北赤城人，博士、博導(dǎo)，研究員，主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（軌道交通方向）。