一種懸掛式單軌車輛耦合動力學仿真系統技術方案

本實用新型專利技術公開了一種懸掛式單軌車輛動力學仿真系統，屬于軌道交通技術領域，其目的在于為解決現有的懸掛式單軌動力學仿真裝置在研究軌道梁局部振動時仿真結果誤差大的技術問題，通過提供一種懸掛式單軌車輛系統動力學模型、橡膠輪輪軌面接觸力學模型，軌道梁底板與腹板等效面力施加方法以及車輛與軌道梁耦合動力學模型的建立方法，構建一種懸掛式單軌車輛與軌道梁的耦合動力仿真系統，該實用新型專利技術解決了懸掛式單軌車輛系統懸吊機構解耦并等效，現有的懸掛式單軌動力學模型仿真在研究軌道梁局部振動時仿真結果誤差大，難以提取軌道梁動應力、動應變結果，無法準確評估軌道梁局部強度破壞等技術問題。

【技術實現步驟摘要】
一種懸掛式單軌車輛耦合動力學仿真系統
本技術屬于軌道交通
，涉及一種懸掛式單軌車輛耦合動力學仿真系統。
技術介紹
懸掛式單軌交通是一種新型的軌道交通系統，它具有爬坡能力強、曲線通過半徑小，低成本，低噪聲，建設周期短、占地面積少等優點，能滿足短距離和中小客流量的運輸任務。懸掛式單軌交通適用于大城市公共交通次干線和主干線的延伸線、連接線，中小城市公共交通干線，機場、高鐵、城際鐵路站到市中心或景區的連接線以及大型自然旅游景區觀光線和區內連接線等范圍。與傳統鐵路橋梁、城市軌道交通高架橋相比，懸掛式單軌交通軌道梁斷面小，軌道梁垂向和橫向剛度較低，車輛導致的軌道梁變形大，以致車輛與軌道梁之間的耦合動力相互作用較強，車輛和軌道梁的振動量級可能出現超標，車輛和軌道梁的長期服役性能將受到較大的影響，因此研究懸掛式單軌車輛與軌道梁間的動力相互作用具有重要意義。高速鐵路車橋耦合振動的研究中，通常是將車輛系統離散由關鍵部件組成的多剛體系統，并基于達朗貝爾原理建立各部件之間的運動關系，橋梁系統通常看成歐拉梁或鐵木辛柯梁，由于歐拉梁或鐵木辛柯梁有較成熟的理論公式，因此傳統的的車輛系統和橋梁系統可在任一編程軟件中通過程序代碼編寫實現車橋耦合振動的仿真分析。但是針對懸掛式單軌軌道梁，其下部為開口結構，不能利用歐拉梁或鐵木辛柯梁模擬懸掛式單軌軌道梁，否則會引入較大的計算誤差或錯誤。此外，懸掛式單軌車輛系統模型各部件運動關系較為復雜，將車輛系統等效為哪些部件來研究其動力學行為是一個技術難題，尤其是懸吊梁機構，如何構建吊梁機構的等效模型一直在國內外存在空白。因此，在現有的編程軟件中難以準確實現懸掛式單軌車輛和軌道梁間的耦合動力相互作用仿真分析。針對車輛與橋梁間的動力相互作用問題，國內外學者主要通過建立車輛-橋梁耦合動力學模型來對其進行研究，由于懸掛式單軌車輛與軌道梁結構的復雜性，現有的懸掛式單軌車輛與橋梁動力相互作用研究稀少，國內外少數學者基于通用動力學軟件，建立懸掛式單軌車輛系統動力學模型，同時將軌道梁作為子結構，將其質量、剛度、模態及外形等信息導入到動力學軟件中，實現直線段車橋耦合動力仿真分析。但是以上研究方法具有一定局限性，在將軌道梁子結構導入到動力學軟件中，僅僅是將軌道梁低階或前幾階主要模態信息導入到動力學軟件中，在這個過程中軌道梁模態存在缺失，一定程度上影響了計算的精度，特別地，懸掛式單軌軌道梁為鋼板焊接而成，輪軌相互作用時，軌道梁走行軌或走行板發生較劇烈的振動，多數局部振動為高頻振動，由于上述模型導入模態階數有限，無法真實模擬軌道梁局部高頻振動。此外，現有各種交通形式的車橋耦合分析方法中，將車輪和軌道接觸考慮為單點接觸模型，然而懸掛式單軌車輛采用橡膠輪走行，在列車載荷作用下，橡膠輪與軌道梁底板或走形軌接觸形狀不在是單點接觸，而接觸區域多為具有一定面積的近似矩形。因此，如果采用單點接觸模型來模擬懸掛式單軌車輛與軌道梁之間的動力特性會造成較大的計算誤差，尤其在計算軌道梁局部振動、局部應力和車輛過梁縫時的車橋耦合振動特性。因此，懸掛式單軌中，將輪胎和軌道梁底板或走行軌間考慮成面接觸更符合實際，但是橡膠輪面接觸輪軌模型以及面載荷怎樣合理施加到軌道梁上的研究在國內外還是空白。
技術實現思路
本技術的目的在于：為解決現有的懸掛式單軌動力學仿真裝置在研究軌道梁局部振動時仿真結果誤差大的技術問題，提供一種懸掛式單軌車輛耦合動力學仿真系統。本技術采用的技術方案如下：一種懸掛式單軌車輛耦合動力學仿真系統，包括軌道梁、設置在軌道梁內的轉向架，轉向架左、右兩側均分別通過導向輪面接觸模型、走行輪面接觸模型與軌道梁的軌道梁腹板、軌道梁的軌道梁底板連接；轉向架內設置有搖枕，搖枕左、右兩側均分別通過二系懸掛橫向彈簧-阻尼模型、二系懸掛垂向彈簧-阻尼模型與轉向架的轉向腹板、轉向底板連接；搖枕底面連接有中心銷，中心銷的另一端依次穿出轉向架、軌道梁后與位于軌道梁下方的車體連接。該仿真系統還設置有懸吊機構模型，中心銷通過懸吊機構模型與車體連接。該懸吊機構模型包括呈“八”字形鏡像設置的兩組斜拉彈簧模型，左側斜拉彈簧模型的A點、C點分別與中心銷底部左側、車體頂部左側連接，右側斜拉彈簧模型的B點、D點分別與中心銷底部右側、車體頂部右側連接；每組斜拉彈簧模型外均套設有拉桿套筒，每組拉桿套筒靠近C點或D點的一端均通過第一彈性止檔模型與車體頂部連接，中心銷底部與車體頂部之間還連接有第一橫向減振器等效模型。該仿真系統的導向輪面接觸模型、走行輪面接觸模型、二系懸掛橫向彈簧-阻尼模型、二系懸掛垂向彈簧-阻尼模型均包括平行設置的第二彈性止檔模型、第二橫向減振器等效模型，導向輪面接觸模型的第二彈性止檔模型、第二橫向減振器等效模型的兩端與走行輪面接觸模型的第二彈性止檔模型、第二橫向減振器等效模型的兩端均分別與轉向架、軌道梁接觸，二系懸掛橫向彈簧-阻尼模型的第二彈性止檔模型、第二橫向減振器等效模型的兩端與與二系懸掛垂向彈簧-阻尼模型的第二彈性止檔模型、第二橫向減振器等效模型的兩端均分別與搖枕、轉向架接觸。綜上所述，由于采用了上述技術方案，本技術的有益效果是：本技術提供了一種懸掛式單軌車輛系統動力學模型、橡膠輪輪軌面接觸力學模型、軌道梁底板等效面力施加方法以及車輛與軌道梁耦合動力學模型的建立方法，構建一種懸掛式單軌車輛與軌道梁的耦合動力仿真系統，一方面解決了懸掛式單軌車輛系統懸吊機構解耦并等效、現有的懸掛式單軌動力學模型仿真在研究軌道梁局部振動時仿真結果誤差大、難以提取軌道梁動應力、動應變結果、無法準確評估軌道梁局部強度破壞等技術問題。本技術提出了懸掛式單軌吊梁的等效模型，并基于空間坐標轉換方法建立了車體與懸吊機構的運動關系，構建了一種由1個車體子模型，2個轉向架子模型，2個懸吊機構子模型組成的21自由度車輛系統動力學模型。本技術提出了利用有限元二次開發語言，在有限元軟件中構建了懸掛式單軌車輛與軌道梁橋間的耦合動力仿真系統，并提出了同時具有集合非線性和材料非線性的橡膠輪輪軌面接觸力學模型以及有限元模型中面力的等效方法，能真實準確的模擬車輛系統振動、軌道梁局部振動、軌道梁局部動應力和動應變，使仿真更加貼近真實情況，減小了軌道梁局部振動時的仿真誤差。本技術利用顯隱式混合的積分迭代算法，在同一有限元軟件中實現了懸掛式單軌車輛與軌道梁橋的耦合動力特性研究，能同時模擬在軌面不平順、地震載荷、隨機風載荷等外界激擾下的車兩系統和軌道梁橋間的耦合振動特性，擴大了該仿真方法的適用范圍，使仿真更加貼近真實情況，減小了軌道梁局部振動時的仿真誤差。附圖說明圖1為本技術中懸掛式單軌車輛動力學模型端視圖；圖2為本技術中車體與中心銷的仿真示意圖；圖3為本技術中懸吊機構局部示意圖；圖4為本技術中車輪與軌道梁橋軌面接觸的面接觸正視圖；圖5為本技術中橡膠輪與軌道梁橋軌面接觸的面接觸側視圖；圖6為本技術中軌道梁橋軌面的橡膠輪面接觸力等效方法示意圖；圖7為本技術中集中力等效節點力示意圖；圖8為本技術中三次樣條差值橋梁軌面位移示意圖；圖9懸掛式單軌交通現場測試圖圖10為本技術中車體垂向振動加速度仿真與實測對比圖；圖11為本技術中車體橫向振動加速本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種懸掛式單軌車輛耦合動力學仿真系統，其特征在于：包括軌道梁(6)、設置在軌道梁(6)內的轉向架(2)，轉向架(2)左、右兩側均分別通過導向輪面接觸模型(21)、走行輪面接觸模型(22)與軌道梁(6)的軌道梁腹板、軌道梁(6)的軌道梁底板連接；轉向架(2)內設置有搖枕(3)，搖枕(3)左、右兩側均分別通過二系懸掛橫向彈簧?阻尼模型(7)、二系懸掛垂向彈簧?阻尼模型(8)與轉向架(2)的轉向腹板、轉向底板連接；搖枕(3)底面連接有中心銷(4)，中心銷(4)的另一端依次穿出轉向架(2)、軌道梁(6)后與位于軌道梁(6)下方的車體(1)連接。

【技術特征摘要】
1.一種懸掛式單軌車輛耦合動力學仿真系統，其特征在于：包括軌道梁(6)、設置在軌道梁(6)內的轉向架(2)，轉向架(2)左、右兩側均分別通過導向輪面接觸模型(21)、走行輪面接觸模型(22)與軌道梁(6)的軌道梁腹板、軌道梁(6)的軌道梁底板連接；轉向架(2)內設置有搖枕(3)，搖枕(3)左、右兩側均分別通過二系懸掛橫向彈簧-阻尼模型(7)、二系懸掛垂向彈簧-阻尼模型(8)與轉向架(2)的轉向腹板、轉向底板連接；搖枕(3)底面連接有中心銷(4)，中心銷(4)的另一端依次穿出轉向架(2)、軌道梁(6)后與位于軌道梁(6)下方的車體(1)連接。2.如權利要求1所述的一種懸掛式單軌車輛耦合動力學仿真系統，其特征在于：還設置有懸吊機構模型(5)，中心銷(4)通過懸吊機構模型(5)與車體(1)連接。3.如權利要求2所述的一種懸掛式單軌車輛耦合動力學仿真系統，其特征在于：懸吊機構模型(5)包括呈“八”字形鏡像設置的兩組斜拉彈簧模型(51)，左側斜拉彈簧模型(51)的A點、C點分別與中心銷(4)底部左側、車體(1)頂部左側連接，右側斜拉...

【專利技術屬性】
技術研發人員：何慶烈，蔡成標，朱勝陽，翟婉明，王明昃，尹鏹，陳兆瑋，張嘉偉，楊尚福，徐翔，
申請(專利權)人：西南交通大學，
類型：新型
國別省市：四川,51