基于SIMPACK的城際動車組建模與仿真

王珊珊

摘? 要：文章以某城際動車組為研究對象，依靠多體動力學(xué)軟件SIMPACK建立單節(jié)拖車仿真模型，并對車輛動力學(xué)性能進行分析。仿真結(jié)果表明：非線性臨界速度、脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌橫向力等指標(biāo)均在規(guī)定的安全限值以內(nèi)。此外，應(yīng)用Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)來評價車輛運行舒適性，得出該動車組的橫向和垂向運行平穩(wěn)性等級均為“優(yōu)”，且車輛橫向運行平穩(wěn)性優(yōu)于垂向運行平穩(wěn)性。

關(guān)鍵詞：動車組;動力學(xué)仿真;安全性;舒適性

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）15-0024-02

Abstract： An intercity EMU is regarded as the research object in this paper. A single trailer simulation model is established and vehicle dynamicsperformance are analyzed by using SIMPACK. The simulation results show that the non-linear critical speed， derailment coefficient， wheel load reduction rate， wheel axle lateral force， wheel rail lateral force and other indicators are all within the specified safety limits. In addition， it is concluded that the horizontal and vertical running stability of the EMU is "excellent" by using the Sperling stability index to evaluate the running comfort of the vehicle， and the horizontal running stability of the vehicle is better than the vertical running stability.

Keywords： EMU; dynamics simulation; safety; comfort

1 SIMPACK軟件介紹

多體動力學(xué)軟件SIMPACK可進行動力學(xué)仿真分析，模擬整車的系統(tǒng)振動特性、各構(gòu)件的受力情況等等，特別是輪軌模塊（Wheel/Rail）應(yīng)用十分廣泛。此外，SIMPACK 還可與 ANSYS、MATLAB等軟件進行接口。研究人員使用該軟件可快速建立動力學(xué)模型，隨即自動形成力學(xué)方程，并得到系統(tǒng)的動態(tài)特性或頻域特性。該軟件采用先進的相對坐標(biāo)系建模，求解迅速、穩(wěn)定、可靠[1]。

2 動車組仿真模型的建立

2.1 建立輪對模型

在SIMPACK的輪軌模塊中，通過體（Body）設(shè)置輪對的物理屬性（質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量等），然后定義左右輪軌關(guān)系，選擇車輪踏面為S1002CN、軌道型面為60kg/m，輸入相關(guān)參數(shù)，最后在輪對上創(chuàng)建mark點坐標(biāo)。

2.2 建立轉(zhuǎn)向架模型

定義構(gòu)架的物理特性、外形及構(gòu)架上mark點坐標(biāo)，導(dǎo)入輪對模型，建立軸箱并確定軸箱mark點，軸箱定位方式為轉(zhuǎn)臂式，將軸箱與輪對鉸接（Joint）在一起，構(gòu)架和轉(zhuǎn)臂軸箱上對應(yīng)的mark點坐標(biāo)通過力元（Force）形式連接，將一系軸箱彈簧簡化為5號力元，一系垂向減振器簡化為6號力元形式。

在建立二系懸掛系統(tǒng)時引入虛車體（為了避免二系懸掛系統(tǒng)重復(fù)做兩次），同樣在虛車體和構(gòu)架上分別創(chuàng)建空氣彈簧、二系橫向減振器、抗蛇形減振器、橫向止擋、抗側(cè)滾扭桿、牽引拉桿等部件對應(yīng)的mark點坐標(biāo)。

本文假設(shè)抗蛇形減振器阻尼力具有非線性特性，橫向止擋的止擋力變化與橫向止擋的位移同樣呈非線性特性，其他部件均作線性化處理。對于非線性元件，具體做法如下：選擇線性插值函數(shù)（Linear Interpolation）的形式，輸入函數(shù)關(guān)鍵點的相應(yīng)橫縱坐標(biāo)，通過將輸入函數(shù)（Output Function）調(diào)用到力元（Forces）中來設(shè)置橫向止擋、抗蛇行減振器等非線性力。同樣將車體和轉(zhuǎn)向架上對應(yīng)點坐標(biāo)通過力元形式連接起來，將空氣彈簧、橫向止擋簡化為5號力元，抗蛇形減振器、二系橫向減振器簡化為6號力元，Z型牽引拉桿簡化為5號力元，抗側(cè)滾扭桿簡化為13號力元。

2.3 建立車體模型

輸入車體的質(zhì)量等物理特性，導(dǎo)入前后轉(zhuǎn)向架，移動子結(jié)構(gòu)下的輪對、構(gòu)架至正確的位置，修改部分參數(shù)，整車模型建好，所建拖車模型如下圖1所示。

2.4 名義力分析

一系軸箱彈簧、二系空氣彈簧均考慮x（縱向）、y（橫向）、z（垂向）三個方向的力元，轉(zhuǎn)臂節(jié)點考慮x、y兩個方向力元，稱重之后，得出其最大殘余加速度遠小于0.01m/s2，說明所建拖車模型正確。

2.5 添加激勵，制作PSD

在SIMPACK中導(dǎo)入軌道激勵數(shù)據(jù)文件，或用功率譜密度函數(shù)PSD來描述軌道不平順，在PSD中輸入軌道譜的多項式系數(shù)。本文以德國高速高干擾軌道譜（適用速度250km/h以下）作為軌道激擾。

3 動力學(xué)仿真計算與分析

3.1 穩(wěn)定性分析

臨界速度是評價車輛運行穩(wěn)定性的最直接指標(biāo)，是保障車輛安全舒適運營的前提。由于車輛在運行時往往表現(xiàn)出非線性特性，本文主要介紹非線性臨界速度的計算，具體方法為：新建一個力元（大小為車體質(zhì)量的一半），以正弦激勵作為激擾（長度為50m），車輛以較高的初始速度通過軌道不平順后，繼續(xù)在直線軌道上運行，在新建力元的作用，拖車的運行速度逐漸衰減，最終可根據(jù)輪對的橫移量判斷模型是否收斂以及車輛非線性臨界速度的數(shù)值。

本文以某城際動車組為研究對象，通過計算分析可知車輛的非線性臨界速度為308km/h，遠高于車輛的最高運行速度200km/h，可知車輛系統(tǒng)運行安全平穩(wěn)，無蛇形失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 安全性分析

一般以脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌橫向力等作為評定車輛運行安全性能的重要指標(biāo)[2]。在仿真模型中，曲線線路的設(shè)置如下：直線（100m）-緩和曲線（240m）-圓曲線（500m）-緩和曲線（240m）-直線（500m），曲線半徑為1500m，外軌超高為120mm，車輛運行速度為160km/h，仿真時間為25s，保存模型，離線積分。在SIMPACK軟件后處理中打開模型，依次選擇前轉(zhuǎn)向架前輪對的左右輪受到的輪軌橫向力、輪軸橫向力等，并按照相關(guān)規(guī)定進行濾波，得到的仿真數(shù)據(jù)如下所示。

（1）脫軌系數(shù)是指在某時刻輪對一側(cè)車輪的橫向力和車輪垂向力的比值，它是評價脫軌幾率的一個重要指標(biāo)。通過計算可知車輛脫軌系數(shù)為0.334，小于95J01-M《高速試驗列車客車強度及動力學(xué)性能規(guī)范》中規(guī)定脫軌系數(shù)的安全限值0.8。

（2）僅依靠脫軌系數(shù)不能全面判斷車輛運行是否安全，因此還需要引入輪重減載率（減載一側(cè)的車輛輪重減載量與輪對平均靜輪重的比值）來全面衡量車輛脫軌的可能性[3]。通過計算可知動車組輪重減載率為0.261，小于95J01-M《高速試驗列車客車強度及動力學(xué)性能規(guī)范》中規(guī)定的輪重減載率安全限值0.6。

（3）輪軸橫向力過大會使線路變形失穩(wěn)，因此必須對其進行限制。根據(jù)我國《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》規(guī)定[4]，此模型的輪軸橫向力安全限值為61kN，通過計算可知車輛的輪軸橫向力為20.9kN，遠遠小于其安全評定限度值。

（4）隨著車輛運行速度的提高，線路條件不斷惡化，輪軌橫向力過大可能會損壞扣件，甚至引起軌道橫移，造成脫軌現(xiàn)象的發(fā)生，因此必須對輪軌橫向力進行限制。通常取0.4倍軸重作為輪軌橫向力的允許限值，本文所建拖車模型軸重為14t，通過計算可知該拖車的輪軌橫向力（23.1kN）遠遠小于其安全限值（54kN）。

3.3 舒適性分析

衡量車輛動力學(xué)性能的另一項重要技術(shù)指標(biāo)是車輛運行的舒適性。在仿真模型中，軌道設(shè)置為直線，長度設(shè)置為2000m，仿真時間設(shè)置為20s，拖車運行速度為160km/h。根據(jù)國標(biāo)GB5599-1985的相關(guān)規(guī)定，在距離前后轉(zhuǎn)向架中心1m處的車體地板上安裝加速度傳感器作為采集位置，保存模型，離線積分。在SIMPACK后處理中打開離線積分文件，將傳感器測得的數(shù)據(jù)（橫向加速度、垂向加速度）導(dǎo)入到MATLAB中進行平穩(wěn)性計算，通過SIMPACK-MATLAB聯(lián)合仿真測得的數(shù)據(jù)如下。

經(jīng)計算，該模型車橫向平穩(wěn)性指標(biāo)為1.8596，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)為2.2661，說明該動車組車輛沿一定軌道運行時橫向和垂向運行平穩(wěn)性等級均為“優(yōu)”，且在計算時間內(nèi)，車輛橫向運行平穩(wěn)性優(yōu)于垂向運行平穩(wěn)性。

4 結(jié)束語

本文以某城際動車組為研究對象，依靠多體動力學(xué)軟件SIMPACK建立單節(jié)拖車仿真模型，并對車輛動力學(xué)性能進行分析。結(jié)果表明：非線性臨界速度、脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌橫向力等指標(biāo)均在規(guī)定的安全限值以內(nèi)。此外，應(yīng)用Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)來評價車輛運行舒適性，得出該動車組的橫向和垂向運行平穩(wěn)性等級均為“優(yōu)”。

此外，為科學(xué)分析城際動車組轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)性能，在今后的研究工作中，應(yīng)考慮建立整列車的仿真模型，并充分考慮個別部件的彈性振動，考慮車輛-軌道耦合，以提高仿真的準(zhǔn)確性。

參考文獻：

[1]寇麗君.運用SIMPACK軟件仿真的動力學(xué)分析[J].機電教育創(chuàng)新，2018（12）：136

[2]嚴(yán)雋耄.車輛工程[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[3]張孟，張輪.高速動車轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能SIMPACK仿真建模與分析[J].城市軌道交通研究，2015（10）：36-41.

[4]王福天.車輛系統(tǒng)動力學(xué)[M].北京：中國鐵道出版社，1994.