Simpack在铁路货物运输课程教学中的应用

摘 要：随着计算机仿真技术的不断发展，铁路车辆运动学/动力学仿真的应用范围不断扩大。在铁路货物运输课程中，应用运动学/动力学仿真技术可以让学生清晰的了解铁路货运中相关工程问题的原理，提高教学效果，让学生更加深刻掌握理论知识并应用于实践，提高学生的综合素质和创新能力。

关键词：车辆动力学 货物运输 Simpack 教学应用

中图分类号：G420 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（a）-0121-02

铁路是国家重要的基础设施，国民经济的大动脉，交通运输体系的骨干，也是国民经济和社会发展的先行部门。铁路货物运输是铁路运输专业一门重要的专业基础课。对于铁路货物运输课程中的工程问题，目前教学过程中主要通过图解、几何分析的方法进行讲授，但内容枯燥，学生兴趣不高，在很大程度上影响到本课程的教学效果和学生的学习积极性。实践表明，在教学中适当引入工程类软件，对课程中涉及的相关问题进行建模和仿真，不仅可以把一些抽象的概念、原理转化成为生动形象的内容，直观表达货物运输过程的结构组成，而且还可以分析整体及各组成部分的运动学或动力学特性，弥补传统教学中的不足[1-2]。

1 Simpack多体动力学分析软件

SIMPACK软件是德国INTEC Gmbh公司开发的针对机械/机电系统运动学/动力学仿真分析的多体动力学分析软件包。它以多体系统计算动力学为基础，包含多个专业模块和专业领域的虚拟样机开发系统软件。其铁路模块在国际市场上的占有率达到了49%，居于首位[3]。利用SIMPACK软件，可以描述并预测复杂机械系统的运动学及动力学性能，可以分析其系统的振动特性、受力状况以及零部件的运动位移、速度、加速度等。其基本原理是通过搭建包括运动部件、铰接、约束以及力元素等在内的机械系统动力学模型。

2 基于Simpack的铁路货物运输课程教学

以超长货物使用一辆四轴货车装载，通过平面曲线为例。为保证货物运输安全、计算超限等级，需要确定通过平面曲线时货物的外偏差量。参数如下：NX70型平车，车地板长15.4 m、转向架中心距10.92 m，货物总长20 m、宽度2700 mm、居中装载，圆曲线半径300 m。由于货物宽度小于车地板宽度，只需计算外偏差量。货物装载上车后行经圆曲线的俯视示意图见图1。

2.1 传统解法

几何计算是车辆在圆曲线上处于完全理想的状态，即转向架各部分、车体与转向架的公差、间隙等均不考虑的情形。但在实际中，由于多个间隙的存在，转向架中心并不能完全投影在线路中心线上，因此，传统解法并不能完全反映实际情况。可见，运用传统的求解方法进行计算，需要学生对几何定理、近似计算等较为熟悉，但对于现场经历较少的学生来说，传统解法仅仅是问题的解决，不便于理解掌握。

2.2 Simpack运动学仿真分析

2.2.1 虚拟样车模型建立

Simpack软件提供的铁路模块可根据实际车辆的参数进行虚拟样车的建立。该文选定的为NX70型平车，装用转K6型转向架。整车模型共有22个刚体，主要包括货物1件、车体1个、摇枕2个、侧架4个、承载鞍8个、下交叉支撑装置2套、轮对4对。其中货物与车体之间采用零自由度连接，车体与摇枕通过心盘和常接触旁承连接，摇枕与侧架通过摇枕弹簧相连，侧架与轮对通过承载鞍连接。受力情况如下：一系悬挂考虑纵向、横向和垂向刚度，纵向和横向摩擦力；二系悬挂考虑纵向、横向和垂向刚度，横向、垂向摩擦力；心盘与常接触旁承处考虑摩擦力形成的回转阻力矩；考虑承载鞍与侧架导框的纵向、横向间隙，摇枕挡与侧架的间隙，间隙消除后构件之间为刚性冲击。对应的整车模型及曲线如图3所示。

2.2.2 仿真结果分析

在Solver Setting中将采样频率设置为50 Hz，Vehicle Globals中设置车辆运行速度为50 km/h。在货物前端中部与线路中心线之间设置Sensor，实时测量货物端部的外偏差量。点击进行仿真计算并输出结果。

完成仿真分析后，可以在Simpack后处理中导入结果文件，输出各种数据曲线并读取曲线上各点坐标数值，并能够对运行状态进行动画回放。图4显示了货物端部在整个仿真运行过程中的外偏差量。可以看出车辆在从直线经缓和曲线运行至圆曲线、再经缓和曲线至直线整个过程货物端部外偏差量的变化情况。在圆曲线上时的外偏差量为128 mm，相比理论计算大11 mm，因为虚拟样车模型中考虑了转向架结构之间的间隙及轮轨接触关系，相比理论计算更加能够反映实际情况。

仿真模型中可任意增加Sensor的数量和位置，研究所关心的位置点在运行中的变化情况，并在动画回放中实时观察。图5即显示了车辆运行在圆曲线上时货物端部的外偏差量。

可以看出，Simpack软件在铁路货物运输课程教学中具有极大的优越性：（1）有效弥补了传统解法的不足。对于工况复杂的情形，如考查车辆前转向架运行于缓和曲线上、后转向架仍然在直线上时的货物端部外偏差量，数学计算则相当繁琐，需要花费大量的时间和精力分析研究。对于接触工程现场较少的学生很难掌握和理解，应用Simpack仿真演示则问题迎刃而解。（2）不仅能够直观的演示出货物运输过程的情况，而且可以输出数据进行后期分析。便于学生对于所研究问题的理解和掌握，也极大地激发了学生的学习积极性和主动性。课后可方便的进行练习，促进了学生对相关软件的学习和掌握。

3 结语

该文研究Simpack软件在铁路货物运输课程教学中的应用，利用计算机仿真技术进行铁路货运中相关工程问题的教学。在实际教学中给予学生多体动力学/运动学基本原理和方法的介绍，并应用Simpack软件进行建模、仿真，并解决课程中遇到的实际问题，将抽象的问题通过计算机进行动态展现，加深学生对理论知识的掌握，激发学生学习的兴趣，如果能够掌握Simpack软件的使用，可提高学生综合素质和创新能力。

参考文献

[1] 陈赛克.Solidworks软件在机械原理教学中的应用[J].机械研究与应用，2013（6）：146-150.

[2] 石云霞，黄一晴，沈景凤.ADAMS在机械原理课程教学中的应用[J].软件导刊，2014（12）：204-206.

[3] 陈超.铁路通用货车重车重心合理限制高度的研究[D].北京：北京交通大学，2011.