铁路货车动力学仿真平台研究

邹德顺，张兆丰，姜瑞金，陶永忠，杨继震

(1 南车长江车辆有限公司，湖北武汉430212; 2 GET集团，北京100190)

铁路货车动力学仿真平台研究

邹德顺1，张兆丰1，姜瑞金1，陶永忠2，杨继震2

(1 南车长江车辆有限公司，湖北武汉430212; 2 GET集团，北京100190)

以铁路货车为应用对象，论述了基于SIMPACK软件的动力学仿真平台的设计与实现。在研究了铁路货车动力学分析特点的基础上，提出了车辆动力学仿真平台的总体构架。有重点地介绍了平台的建模、仿真、后处理、置信度分析与参数化分析5个模块的实现方法。最后使用平台对某型货车进行了动力学分析，并展示了部分计算结果。该平台提高了动力学仿真的效率和准确度，降低了SIMPACK软件的使用门槛，为铁路货车的新产品开发、产品改进提供了有力的支持，具有很好的应用价值。

铁路货车;动力学;仿真平台;SIMPACK

动力学性能是考核铁路货车性能的重要内容，直接关系到车辆的运行安全和使用寿命［1］。车辆设计时，需要反复对动力学性能进行计算和验证，确保各项指标达到要求。目前，铁路货车企业普遍使用商业软件进行动力学分析。但在软件的方便性方面，也存在以下问题:

(1)分析效率低。目前的动力学分析，无论是建模、仿真还是结果后处理，都需要大量的手动操作，耗时多，效率低下。

(2)模型易出错，查错难度大。铁路货车的动力学模型较复杂，手工建模时易出错，要发现错误也难。

(3)分析软件使用门槛高。商业分析软件多为英文版，分析过程复杂，要求使用者熟悉动力学相关理论，这限制了一般设计人员的使用。

开发铁路货车动力学仿真平台，实现动力学建模、仿真、后处理、输出报告的参数化和自动化，对提高仿真效率，减少错误，降低软件使用门槛有着积极意义。

1 动力学分析的一般过程

铁路货车动力学分析一般分为4个步骤，如图1所示。

图1 铁路货车动力学分析的一般流程

对铁路货车进行动力学分析前，先要将车辆进行合理的简化，建立一个由多个刚体(或刚弹体)组成的仿真模型来替代真实车辆，模型中的物体通过运动副和力元来连接［2-3］。

仿真模型完成后，即可进入分析与求解阶段。该阶段主要的操作是对计算工况、求解方法、仿真时间等内容进行设置和选择。

结果后处理阶段，分析人员可提取关注的仿真结果数据，对提取的数据，作滤波、截断、统计等操作，并得到车辆的动力学性能指标。

最后，按照相应的铁路标准，对车辆的动力学性能进行评价，形成文字报告。

2 总体方案设计

铁路货车动力学仿真平台的思路是使动力学分析的过程尽量参数化和自动化，减少手动操作，从而提高仿真效率，防止出错，降低分析难度。

为实现参数化，平台使用了大量的模板。铁路货车的动力学结构主要由转向架决定，常用的类型有摆动式、交叉拉杆式、构架式、控制型、低动力型几种，同种类型铁路货车的动力学结构一致，仅参数存在差异。平台为每种类型的货车建立一个动力学模板，模板具备完整的动力学拓扑结构，参数可从外部输入和修改。建模时，无需搭建模型，只要选择相应模板并输入参数，即可建立一个车辆动力学模型。此外，数据后处理、动力学分析报告也按照不同的动力学标准建立了模板，标准包括GB 5599、AAR M1001、AS 7509等［4-6］。为简化参数的录入过程，克服SIMPACK软件参数设置界面过多的缺点，平台将参数按流程分类，统一在少数界面里设置，一些靠经验决定的参数，会提供默认经验值。每个分析流程，只需作简单的参数设置，其余操作均在后台自动运行。比如临界速度分析，当输入速度区间后，即可自动搜索临界速度。

按照上述思路，平台总体分为两大部分，数据库和软件工具集成环境，如图2所示。数据库包括车辆系统数据库、轨道谱及轮轨型面数据库、车辆动力学试验数据库、分析脚本及结果数据库。软件工具集成环境包含了仿真分析的各个流程。除了传统的建模、仿真分析、后处理流程外，新增了模型置信度分析流程和参数化分析流程。模型置信度分析流程用来进行仿真结果和试验数据的对比，验证模型的正确性，为模型的修正和改进提供依据。参数化分析流程用来分析参数变化对车辆动力学性能的影响规律，从而指导动力学参数的设计。

图2 仿真平台架构框图

3 仿真数据库的开发

数据库是仿真平台的基础，其结构的合理性决定了整个平台的效率。仿真数据库需包含车辆系统数据库、轮轨及线路数据库，这两类数据库是平台搭建时建立起来的。仿真数据库还包含车辆动力学试验数据库、分析脚本及结果数据库，是平常使用时添加和积累起来的。

(1)车辆系统数据库的开发

该数据库包含不同类型的车体及转向架的全参数化子结构模板。车体考虑为一个刚性体，仅包含质量和几何尺寸信息，共6个自由度。转向架的子结构较复杂，考虑了摇枕、侧架、轴箱、轮对等部件，各部件有不同的自由度，部件间通过力元和铰接联系［2］。图3为某低动力型转向架子结构模板的拓扑结构图。在仿真平台上建模时，子结构模板被调用，赋予参数，生成车体或转向架的子结构，再进行装配和称重，即得到一个完整的车辆动力学模型。

(2)轨道谱数据库的开发

平台按照经典车辆动力学理论，假设轨道系统为刚性支撑(即刚性固定边界)，不考虑轨道系统振动对车辆系统的动态影响，而将轨面几何不平顺视为车辆系统的外部激扰，研究车辆运行安全性和平稳性［7］。轨面几何不平顺常用轨道谱描述，根据动力学仿真的一般性要求，使用SIMPACK软件的轨道谱工具箱建立国外(主要是德国谱、美国谱)及国内(主要是中南大学和中国铁道科学研究院谱)的轨道谱数据文件。图4为平台自建的美国五级谱的垂向部分。

(3)轮轨型面数据库的开发

使用SIMPACK软件的车轮及轨道型面工具箱建立标准、磨耗、过度磨耗踏面外形数据文件，模拟新造、正常运营和过度使用车辆的轮对踏面外形。同时，根据国内外主干线轨道截面数据，建立标准线路、磨耗线路的轨头型面数据库。图5为60 kg钢轨的轨头型面，图6为LM型车轮踏面。

图3 转向架字结构拓扑结构图

图4 美国5级轨道垂向不平顺激励曲线

图5 60 kg/m钢轨轨头型面

图6 LM型车轮踏面

4 仿真流程的开发

为使动力学分析的过程清晰，需要将动力学分析的一般过程进行整合，形成仿真流程。仿真平台共有5个流程，分别是车辆建模流程、仿真分析流程、结果后处理流程、模型置信度分析流程和参数化分析流程。平台采用SIMPACK 2次开发语言QSA(Qt应用脚本)编写仿真流程［8］。

(1)车辆建模流程

分为建立子结构、子结构装配、初始状态设置3个部分，如图7所示。子结构模板有车体和转向架两种，关联着不同的参数录入界面。用户完成参数输入后，平台将参数值赋给相应的子结构模板，即可生成新的子结构。用户指定好车体和前后转向架的子结构，后台自动完成车辆的装配，称重，车辆模型即可用于仿真计算。

(2)仿真计算流程

主要用来设置车辆运行工况，仿真结束条件，传感器(位置、采样频率等)，需要输出的计算结果等内容。铁路货车动力学仿真有3类分析项目，临界速度分析、长大直线分析和曲线通过分析，这3类分析需要设置的内容见表1所示。

图7 车辆建模的流程

表1 仿真计算流程设置内容

(3)计算结果后处理流程

按照相关的铁路行业标准(GB5599、AAR M1001、AS7509等)，分析计算结果，并形成分析报告。用户指定了标准和仿真结果文件后，平台自动提取出标准所关注的数据项，并按照规定的方法进行数据处理，得出车辆的动力学性能值，再评定动力学性能的等级及是否合格等，最后形成报告。

(4)模型置信度分析流程

该流程将仿真结果与试验数据作对比分析，从而判断动力学模型是否合理，为模型的改进提供依据。用户指定要分析的数据项，平台计算出仿真与试验之间的相对误差，最后得到置信度分析报告。对比的数据项主要是加速度和力，可以在时域和频域上作对比。若模型的置信度不高，需要对参数录入和工况设置进行检查，如果这些没问题，则需要对动力学模板本身作修改，直至置信度达到要求。

(5)参数化分析流程

用来分析参数变化对车辆动力学性能的影响规律。用户设置好变化参数的值，平台依次将参数值赋给车辆模型，计算出动力学性能指标。最后，平台将参数与动力学性能指标间的对应关系绘制在二维图或三维图中，形成参数化分析报告。

5 仿真平台实例

以某出口型货车为例，使用仿真平台搭建动力学模型，如图8所示。该车的转向架为低动力型，轴重25 t，一系有弹性橡胶弹簧和剪切垫板，带交叉拉杆装置。使用该模型，在典型工况下进行了动力学仿真，将平台仿真结果与直接使用SIMPACK软件建模和仿真得到的结果进行了对比，如.所示。平台和手工仿真的结果比较接近，存在误差是由于模板搭建人员与手工建模人员的建模思路略有差异。

图8 车辆动力学模型

表2 平台与手动分析结果对比

使用模型置信度分析模块对仿真结果与线路试验数据作对比，如图9所示。仿真模型车体横向加速度的幅度误差为0.22，相位误差为0.17，综合误差为0.28;车体垂向加速度的幅度误差为0.25，相位误差为0.13，综合误差为0.28，表明仿真结果与试验数据较吻合［9］，动力学模型合理可靠。

图9 模型置信度分析结果

使用参数化分析模块分析了轴箱橡胶弹簧的横向刚度(ConeRubberSpring_c_y)和垂向刚度(ConeRubber-Spring_c_z)对脱轨系数(Q/P)的影响规律，如图10所示。空车状态下，车辆以100 km/h的速度通过半径为600m的曲线，当横向刚度取4.4MN/m、垂向刚度取15.5 MN/m时，脱轨系数最小，为0.45;当横向刚度取4.4 MN/m、垂向刚度取19 MN/m时，脱轨系数最大，为0.5。

图10 参数化分析结果

6 结束语

通过开发动力学仿真平台，代替以前手工建模、仿真和后处理的动力学分析方式，大大缩短了动力学分析的时间，减小了出错几率，降低了SIMPACK软件的使用门槛，达到了固化仿真标准、经验和知识的目的。

［1］ 严隽耄，傅茂海.车辆工程［M］.北京:中国铁道出版社，2011.

［2］ 王勇，曾京，吕可维.三大件转向架货车动力学建模与仿真［J］.交通工程运输学报，2003，4(3):30-34.

［3］ 刘凤伟，张良威.铁路货车动力学仿真分析与线路测试结果一致性研究［J］.铁道机车车辆，2012，32(3):9-13.

［4］ GB 5599－85:铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范［S］.1985.

［5］ AAR M－1001:Manuals of Standards and Recommended Practices Design，Fabrication and Construction of Freight Cars［S］.2007.

［6］ AS 7509.2:Australian Standards-Railway Rolling Stock Dynamic Behavior-Part 2:Freight Rolling Stock［S］.2009.

［7］ 翟婉明.车辆—轨道耦合动力学(第3版)［M］.北京:科学出版社，2007.

［8］ 周素霞，陶永忠.SIMPACK9实例教程［M］.北京:北京联合出版社，2013.

［9］ Robert Fries，Russell Walker，Nicholas Wilson.Validation of Dynamic Rail Vehicle Models［J］.Qingdao:IAVSD 2013 Conference，2013.

Research on Dynamic Simulation Platform of Rolling Stock

ZOU Deshun1，ZHANG Zhaofeng1，JIANG Ruijin1，TAO Yongzhong2，YANG Jizhen2
(1 Yangtze Rolling Stock CSR，Wuhan 430212 Hubei，China; 2 GET Group，Beijing 100190，China)

This paper discusses the design and realization of dynamic simulation platform of rolling stock on the basis of SIMPACK software.An overall architecture is proposed for rolling stock dynamic simulation platform based on the analysis of dynamic simulation characteristics.It focuses on the introduction of implementation methods of 5 modules which belongs to the platform，including vehicle modeling，simulation，post process，confidence analysis and parametric analysis.Finally，the platform is used to carry out dynamic simulation to specific type of rolling stock，and some calculation results are revealed.The platform，which improves efficiency and accuracy of dynamic simulation，makes the usage of SIMPACK software easier，and provides strong support for research and development of rolling stock products，will have more valuable application.

rolling stock;dynamic;simulation platform;SIMPACK

U270.1+1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.14

1008－7842(2015)02－0058－05

6—)男，高级工程师(

2014－09－30)