模拟Train-Turnout使用多体耦合动力学仿真软件

文摘

计算能力的进步,多体仿真(MBS)工具用于研究不仅列车动力学也更现实的铁轨上耦合动力学等现象。然而,train-turnout耦合动力学在MBS仍难以被发现。摘要train-turnout耦合模型方法使用GENSYS MBS工具。铁路轨道的动态跟踪特性数值来确定敏感性测试一个简单的连续跟踪模型。之后,确定了动态跟踪属性采用开关和交叉(人数)来模拟train-turnout耦合动态交互包括轨道抗弯刚度等参数沿投票率和睡眠质量的变化。train-turnout耦合动态交互与动态交互模拟从一个被广泛接受的移动质量train-turnout模型。可以看出垂直和横向正常部队新train-turnout耦合模型和传统移动质量train-turnout模型有很好的一致性。此外,新的train-turnout耦合模型可以提供额外的跟踪动态的结果。得出train-turnout耦合模型可以提供一个更现实的train-turnout动态交互移动质量相比train-turnout模型。

1。介绍

很好地理解培训和跟踪动态交互的重要的优化设计和维护跟踪组件。开关和口岸的特殊利益,因为加载导致增加额外的磨损和维护成本高。火车和轨道动态模拟是用来研究火车或跟踪反应时受到不同条件如不同的轴负载,运行速度,轨道几何特别是在设计和开发阶段。直通车和跟踪动态分析,可以在训练和/或跟踪评估修改影响舒适性等几个因素,车辆或跟踪加速度,脱轨风险,滚动接触疲劳、铁路压力,和铁路偏转。最重要的是,数值模拟减少依赖实验活动,在大多数情况下可以非常昂贵和费时。

两种类型的任务中最常用的数值方法模拟训练和/或跟踪动态,也就是说,多体仿真(MBS)法和有限元法(FEM)。从铁轨上复杂的动态时,几何,和材料的行为,有必要使简化能够构建模型,在合理的时间运行模拟。MBS方法是高效学习列车动力学,但代价是,跟踪模型简化。在有限元法中,非常详细的铁轨上模型可以模拟包括身体结构的灵活性;然而,计算工作量远远高于MBS。因此,有限元法在铁路领域通常仅用于非常详细的组件模型(1),详细的轮轨接触模型(2,3),等等。有时,有限元法也可以用于铁轨上模拟作为一个整体,但是简化往往减少计算工作(4,5]。

MBS比研究铁轨上动态交互作为一个整体,特别是对于复杂的铁路轨道组件开关和交叉等。MBS工具专用的铁轨上分析轮轨接触模块,能够模型复杂的轮轨运动行为和相应的蠕变。例如,一些作者卡萨岛和尼尔森6),拉各斯et al。7),Wan et al。8的困扰,Palsson [9),刘和卡萨岛(10MBS),用来模拟train-turnout动态交互评估最大接触力沿着铁路投票率,学习人数的影响几何、优化穿越鼻子形象,优化开关几何,并研究偏航开关和交叉的影响,分别。据Esveld [11),轨道子结构有直接影响的动态轮负载,动态跟踪刚度,并跟踪粗糙度。然而,造型铁轨在MBS一直是一个挑战12]。此外,train-turnout模型使用的上述作者正在大规模train-turnout模型的跟踪由集总质量或质量表示层耦合使用弹簧阻尼元素,以及整个模拟追踪跟随火车的轮子。这样跟踪模型能够捕捉动态200 Hz。等频率轨枕轨道抗弯刚度引起的通过频率和频率无法模仿。此外,使用恒定的睡眠质量,尽管现实睡眠质量是不一样的开关和口岸。

在本文中,使用MBS软件GENSYS train-turnout耦合模型。动态跟踪属性首先决定使用一个简单的连续跟踪模型通过敏感性测试指的是现有的敏感性函数记录在文献中。之后,决定跟踪属性应用于投票率模型。train-turnout耦合模型模拟,和相应的动态交互与动态交互从一个移动质量train-turnout模型。一些追踪train-turnout耦合动力学模型也报道。模型的优缺点进行了讨论。

2。火车模型

火车模型提出了挪威客运列车由七具尸体,也就是说,车体,两个妖怪,四个车轮。每个身体有六个自由度(自由度),也就是说,三个译本和三个旋转车轮除了与纵向翻译只有五自由度约束。尸体和弹簧阻尼元素相互耦合。与传统移动质量模型、火车模型本文模型在动坐标系相对于轨道固定的坐标系统。图1演示了一个火车和轨道模型的示意图。

3所示。投票率模型

3.1。跟踪模型

有一些试图使用MBS铁路轨道模型,例如,在[13- - - - - -15]。最受欢迎的方法之一造型铁路轨道模型的铁路轨道梁单元使用Euler-Bernoulli梁理论。铁路通用动力梁的状态方程,在这种情况下,可以由欧拉方程表示: 在哪里质量密度,横截面积,弹性模量,是第二个梁的横截面的面积的时刻。自从Euler-Bernoulli梁只能提供负载,并提供在垂直方向偏转,外部负载和吗偏转的光束在垂直方向的时间吗沿纵向位置 。外部负载是激发和相应的反应生成的火车(轮)的顶部梁表示为吗 在哪里支持的数量,在这种情况下是身体模仿作为刚性连接的梁下垂直平移和旋转方向不受限制,是支持反作用力,狄拉克δ函数,当前位置,是位置的支持,梁是轮子的数量旅行,下的轮轨接触力吗轮,单位阶跃函数,是当前时间步,的入境时间吗轮的梁的时间旅行吗通过梁轮。自

欧拉方程可以表示为 在哪里粘性阻尼系数。通过模态叠加,垂直偏转可以表示由以下方程: 在哪里是垂直偏转系数和模式是模式形状函数的垂直偏转。用(5)(4)收益率以下方程: 在哪里模型的频率,阻尼比,模型的质量吗单跨梁的模式。

注意,当定义GENSYS梁,Euler-Bernoulli梁函数是一个无质量的光束,光束质量是只考虑大众铁路连接刚性梁。这是因为作为身体需要这些大众,让更多的群众如下面他们睡眠质量和压载群众联系代表一个更现实的轨道,人物1。因此,欧拉方程所(1)只有当完成铁路群众刚性连接的梁下定义。铁路质量限制在每个方向除了垂直转换和旋转。应该小心在选择铁路质量惯性矩的倾斜方向,因为它直接影响到弯曲和梁的挠度。例如,如果铁路质量惯性矩的太高,光束将限制从弯曲或弯曲和光束的偏转将不切实际的高如果转动惯量太低。

动静力连续梁,梁元素由有限梁元素通过矩阵耦合。有限梁元素的更多细节,请参考Ottosen和Petersson16]。如果需要,例如,在开关和交叉,梁的抗弯刚度可以不同截面上沿轨道。相应的模型频率、阻尼比和模型质量可以表达的复杂的三角函数。这种方法曾被成功实现由Sun et al。17train-rail桥)来模拟垂直动态交互。

3.2。跟踪属性验证

跟踪模型的一个最重要的信息是动态跟踪性能。虽然现有的信息中记录的跟踪属性比如[18),它只适用于移动质量跟踪模型。因此,数值跟踪敏感性测试进行连续跟踪模型(不含汽车)来识别跟踪的动态属性。

连续跟踪模型识别由100名铁路群众刚性连接在两束两边(50)。每一对铁质量(左和右)被连接到一个睡眠质量(共50睡眠质量)与弹簧阻尼元素代表railpads。在每个卧铺,三个弹簧阻尼元素,左,中间,和正确的,是用来代表压载弹性连接刚性地面的卧铺。卧铺刚性地面耦合的安排是这样的左派和右派弹簧阻尼元素总是350毫米的卧铺,另一个总是在半夜卧铺。睡眠质量约束在各个方向除了垂直平移,旋转。

两个敏感性测试,一个上面的铁路枕木,另一个在两个枕木之间,执行。调整相应的敏感性函数匹配在文献中描述的敏感性函数(19)通过优化轨道参数如railpad和压载刚度和阻尼特性。

由于没有铁路质量中间的支持,一个近似方法用于获得激励时的响应函数应用在两个睡眠。铁路的位移的两个睡眠, ,可以使用的螺旋角和位移近似相邻铁路的质量: 在哪里和 ,和和垂直位移和群众的螺距角梁下刚性连接相邻的观察,分别是距离的支持,然后呢基函数可表示为 在哪里 在哪里相对沿梁纵向位置和吗是距离的位置从左边的质量在观察的情况下在两个物体的中间, ,和 , , ,和有一个值为0.5,0.125,0.5,分别和−0.125。

图2显示的敏感性功能跟踪表中列出的属性1。可以看出,三个主要的共振频率(所19捕获。第一共振,这被认为是追踪共振(rails和睡眠振动压载)通常发生在50到300赫兹的频率范围,捕获频率在129赫兹。第二个共振频率,它被认为是rails railpads跳跃,通常发生在200赫兹到600赫兹的频率范围,捕获频率在485赫兹。在这个模型中,心的共鸣也可以捕获在900赫兹的频率。

由于近似方法(7)- (9),响应函数的大小两个枕木之间的铁路相比略低敏感性功能上面的铁路枕木。这是因为铁路附近群众的位移和旋转角度观察并不总是有相同的大小,和妥协的情况下会导致轻微的减少的总体大小。此外,心的接受率的大小频率响应函数时观察到两者之间的铁路枕木剧烈不如在文献中。这是由于近似是基于两个相邻铁路的偏转和旋转质量的观察,和投影是由旋转的大小限制的铁路。

模态分析的跟踪,如图3说明执行相应的模式形状的共振频率。的共振频率与模态分析一致的主共振频率计算跟踪敏感性测试尽管轨道的线性化模型的模态分析。因此,得出的结论是,跟踪性能是有效的应用到更复杂的投票率模型。

此外,执行敏感性测试在一个移动质量跟踪模型如图4实现类似的跟踪模型与全履带式模型。移动质量跟踪模型包含两个铁路质量与睡眠质量弹簧阻尼元件,和睡眠质量与刚性地面有两个弹簧阻尼元素。此外,睡眠质量也附在横向刚性墙用一个弹簧阻尼元素的价值30 MN / m和270 kNs / m,分别。除了垂直翻译,铁路的质量和睡眠质量在各个方向约束。

可以看出,移动质量跟踪模型的跟踪响应函数当类似的值在表1采用看起来几乎一样的敏感性函数从全履带式模型。然而,心共振运动质量跟踪模型是失踪,因为梁元素的缺乏。此外,还应注意,当移动质量模型是连接到一个火车模型,第二个共振频率不会出现因为铁路的惯性质量将不会被考虑。

3.3。投票率模型

投票率模型是一个右转60 e1 - 760 - 1: 15(名义钢轨断面60 e1,曲线半径760米,和投票率角1:15)投票率没有铁路的倾向。投票率的钢轨断面的变化是由30铁路占横截面沿投票率。投票率模型的总长度是120米。第一个60米的轨道是一个连续跟踪模仿潮湿初始瞬时效应,其余的是投票率模型。这意味着400年的投票率模型由铁路质量,睡眠质量,200和1000弹簧阻尼元素的耦合rails枕木和刚性地面。

与正常轨道,轨道抗弯刚度变化根据钢轨断面与车轮接触的投票率。然而,由于Euler-Bernoulli梁的约束方程,不同截面抗弯刚度只能。梁的抗弯刚度截面抗弯刚度的均值来近似在最近的相邻测量铁路配置文件根据施工图。此外,卧铺属性如质量、尺寸、和惯量矩也多种多样的投票率根据施工图。

由于rails定位不同的睡眠者面临的开关和交叉和不同路线,rails必须定位相应的模型中为不同的移动方向(只有发散路线被认为是在这个工作)。其余的轨道跟踪验证跟踪属性表中列出1。图5投票率的示意图视图模型没有连续60米部分。

4所示。Train-Turnout耦合

火车和投票率模型的耦合,硬弹簧阻尼系统141 MN / m和30 kNs / m,分别采用每个轮子的火车连接到一个被忽视的惯性虚构的质量。虚构的群众需要为了提取轮轨概要文件的联系信息和任何跟踪不规则在仿真的时候,也就是说,离线查找表中使用的模型。虚构的质量是连接到Euler-Bernoulli光束通过一个僵硬的“rail-rail”接触刚度 ,的值为5000 MN / m假设车轮和轨道不模拟期间失去了联系。

正常的轮轨接触问题,采用赫兹接触理论。蠕变和蠕变力量解决由石灰使用FASTSIM算法基于简化的滚动接触理论。与移动质量跟踪模型,铁路的惯性质量不需要被忽视,因为火车的车轮在全履带式模型卷跟踪没有携带车轮下的跟踪。

5。数值结果

两个进行了模拟,train-turnout耦合模型和移动质量的投票率模型。相似的训练模式和价值观到轮轨接触都用于模拟。火车穿过投票率在80 km / h的速度。开关面板的投票率始于0 m,和交叉面板开始约47米。采样频率的模拟是1000赫兹。

图6显示了车轮的垂直法向力的领导轮组。可以看出垂直法向力一般是非常相似的两种模型。然而,变化可以观察到在开关和交叉板更高的动态影响。这可能是因为跟踪动态反应的影响不同,最终影响垂直法向力的大小。也可以观察到类似的现象,在侧法向力如图7。这也可以解释为纵向和横向的相似性正常部队沿着投票率时动态交互并不重要。图8显示了放大垂直法向力。卧铺传递效应也可以模拟在train-turnout耦合模型而不是移动质量的投票率模型。

模拟train-turnout耦合动态使用这种方法,相关的附加信息的跟踪,如睡眠者的历史的时候,力在卧铺,卧铺加速度,和力压舱物也可以观察到。图9说明了从卧铺上的左派和右派铁路对数字2,40岁和80附近的开关面板,关闭面板,分别和穿越面板。所有四个轮子的段落中可以观察到2号和40号的卧铺。然而,只有前两轮的段落可以观察到卧铺80号由于轨道的长度和后转向架没有穿过它在年底前模拟。的分布可以看出,前两轮的力量甚至通过2号卧铺,但是力逐渐分布更左边轮当后轮通过了卧铺火车因为曲率。曲率效应越来越明显的40号的卧铺。除了曲率效应,动态的影响由于交叉剖面中可以观察到80号的卧铺。

图10显示最大的力在整个投票率睡眠。可以看出,左边的最大力铁路高于右边铁路因为曲率的追踪。此外,最高力在卧铺的开关面板(卧铺号码1 - 20)和最低的潜伏力是在穿越面板(卧铺号码70 - 90)。这是因为铁路更高的抗弯刚度跨越面板相比,开关面板。高抗弯刚度的铁路穿越面板阻止力转移到睡眠即使高在这个区域的动态影响。虽然动态影响铁路在开关面板明显不如在十字路口面板中,睡眠者最大的力是高于卧铺上的力在穿越面板由于铁路的抗弯刚度相对较低。

图11说明睡眠的力量转移到压载水通过左边,中间,和正确的弹簧阻尼元素在卧铺2,40和80。可以看出,力在右边的睡眠者高于中间和左边。这是因为形成的投票率的rails放置枕木上逐渐向右沿着不同的路线。这种效果更明显的卧铺80号,靠近十字路口面板。镇流器上的力大于右侧中间的力在压载即使左边的冲击力的大小铁路(靠近中间的卧铺)以上卧铺80号较高。此外,镇流器的初始力的大小也是不同的投票率将沿着投票率睡眠质量的变化。睡眠质量的变化也将影响的动态跟踪。这一点尤其重要,如果感兴趣的条件下跟踪等预测跟踪解决。因为睡眠的质量可能会影响动态垂直力的大小在压载并最终影响跟踪结算的准确性预测特别是在开关和交叉板的动态影响是显著的。

图12显示了最大的力沿着投票率压载水。最大的力在左边的压载,中间,右边开始大约在同一大小30 kN。由于投票率的形成如前所述,最大的力在右边的压载左逐渐增加,反之亦然。然而,最大的力在中间的压载不波动左派和右派。巧合的是,在13号的卧铺,最大的力在压载三分非常相似,因为曲率和投票率形成平衡的效果。此外,由于轨枕的变化几何回普通几何从卧铺93号,左派和右派的反转效应最大的力在压载由于车体卷也可以观察到。

作为比较,卧铺上的力和移动质量的主要轮副的压载投票率模型也是策划,人物13。可以看出,历史的时间纵向支持力,卧铺上的力,力压舱物非常相似。这是因为垂直法向力传播到卧铺,在地上而不影响轨道抗弯刚度,discretisation,投票率的形成。在压载的力大小相比略高的力的卧铺由于存在睡眠质量。然而,这种变化是恒定在投票率由于睡眠质量运动质量的一致性模型。

6。讨论

在大多数的情况下,铁路轨道不是MBS铁轨上动态分析的主要焦点。这是因为MBS工具专用火车铁轨上动态分析主要用于动态分析和动态跟踪相对较低,假设轨道几何或多或少是一致的切线和曲线跟踪等。然而,当一个更复杂的轨道结构,如开关和交叉,跟踪效果,如轨道抗弯刚度和睡眠质量成为至关重要的为了更准确地模拟列车和轨道动力学。造型的优势铁路轨道在MBS使用这种方法列出如下:(1)火车和轨道模型可以描述为一个整体。(2)轨道抗弯刚度可以模仿和多样。(3)睡眠质量和轨道刚度可以不同。(4)卧铺传递效应可以模仿。(5)内的动态交互跟踪计算和观察。

此外,造型铁轨在MBS可以使其他类型的分析,也就是说,结算分析,包含镇流器的特点,挂睡眠者效应,轨道几何不规则,优化和跟踪组件,不可能面前把火车或跟踪。

这种方法的缺点是,一般在MBS,起始时间增加而增加的身体模拟。开关和交叉模型,需要许多额外的机构;例如,本文需要额外的400年铁路和200年睡眠质量与七具尸体的火车模型。铁轨上的起始模型花了15分钟,并仿真了11分钟电脑处理器英特尔®™核心i7 - 4600 CPU @ 2.10 GHz CPU(4)相比,移动质量投票率模型来模拟总共花了3分钟。

,已经有一个单独的算法避免了重复启动过程的起始铁轨上模型保存在第一次模拟,以便为后续仿真使用相同的铁轨上模型,模型的初始化是可以避免的。

7所示。结论

摘要train-turnout耦合的动力学模拟使用多体仿真软件GENSYS。轨道轨道抗弯刚度等参数,轨道抗弯刚度变化,沿着投票率和睡眠质量的变化被认为是在模型中。投票率模型的动态跟踪特性,如铁路质量惯性矩,railpads的刚度和阻尼,事先和压载的刚度和阻尼都验证通过对比敏感性函数从一个直接跟踪模型敏感性函数记录在文献中。

之后,train-turnout耦合模型的结果相比,移动质量train-turnout模型的结果。是得出以下结论:(1)垂直和横向正常部队train-turnout耦合模型是在良好的协议与移动质量train-turnout模型。(2)full-turnout模式已经影响正常向垂直和横向部队尤其是开关面板和交叉板更高的动态影响。(3)train-turnout的枕木上的力耦合模型相比,低质量跟踪移动模型,因为铁路抗弯刚度。此外,枕木上的力的大小随轨道抗弯刚度的增加而减小。(4)安定器上的力的位置装载量相关的。例如,在本文,右边沿投票率睡者更大的火车穿越不同的方向。(5)个人的时间历史跟踪组件在铁轨上耦合模型可以用来分析,但是不能移动质量跟踪模型。

也得出结论,这种方法可能会提供一个更好的铁轨上交互的结果相比,移动质量跟踪模型由于考虑跟踪参数。未来工作是验证train-turnout模型与一个真正的投票率模型的敏感性测试或组件相比,也就是说,卧铺或铁路加速度与数值模型真正的投票率。

的利益冲突

本文的作者宣称没有利益冲突在他们提交的论文。

确认

目前的工作是土木与环境工程系,挪威科技大学,是由挪威铁路指挥部。佩尔森英格马先生也协助和建议造型GENSYS感激地承认。

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