中國鐵路尤其是高鐵的迅速發(fā)展是中國裝備制造業(yè)走向世界一張名片，不僅為人們出行提供了便利，也為中國經(jīng)濟(jì)的快速增長提供了有力的支撐。同時，高速鐵路的發(fā)展給產(chǎn)品研發(fā)帶來了新的課題和挑戰(zhàn)。尤其在動力學(xué)領(lǐng)域，各部件或子系統(tǒng)之間耦合關(guān)系復(fù)雜，直接影響機(jī)車行駛的安全性、舒適性、可靠性等。為了研究并提高機(jī)車系統(tǒng)的動力學(xué)性能，分析輪-軌、車-線-網(wǎng)、車-橋等的相互耦合作用，需要一款專業(yè)的機(jī)車動力學(xué)分析軟件，實(shí)現(xiàn)快速預(yù)測和評估機(jī)車產(chǎn)品的動態(tài)性能。

 

 

 

Simpack Rail
提供專業(yè)的軌道車輛動力學(xué)仿真方案

Simpack Rail軌道車輛解決方案是針對軌道車輛動力學(xué)仿真開發(fā)的專用模塊。在全球范圍擁有廣泛的用戶群，鐵路行業(yè)主要的機(jī)車制造商、供應(yīng)商、運(yùn)營商、高校和科研院所都在使用Simpack Rail進(jìn)行仿真分析。通過Simpack強(qiáng)大的建模功能和快速的求解速度能高效地預(yù)測和分析軌道車輛的動力學(xué)性能，評估軌道線路甚至橋梁設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，從而大大降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。

 

 

Simpack Rail與客戶之間大量的項(xiàng)目合作和驗(yàn)證試驗(yàn)，保證了仿真的可靠性，同時也提供了豐富的軌道交通行業(yè)仿真經(jīng)驗(yàn)。多年以來，全球主流機(jī)車制造商（如西門子軌道交通、阿爾斯通、中國中車等）一直使用Simpack Rail研發(fā)最先進(jìn)的軌道車輛產(chǎn)品。

 

Simpack Rail 主要優(yōu)勢

 

• 沒有限制的靈活性建模，適用于各種軌道車輛
• 模塊化建模，建立全參數(shù)化的模型
• 大量專業(yè)的建模元件
• 先進(jìn)的輪軌接觸算法
• 車輪和軌道的磨耗計(jì)算
• 車橋耦合分析方案
• 豐富的軌道行業(yè)仿真經(jīng)驗(yàn)
• 實(shí)時仿真技術(shù)，尤其適用于磁浮車輛

 

 

 

 

Simpack Rail 軌道車輛解決方案特點(diǎn)

車輛建模

Simpack Rail提供簡潔、易于使用的用戶界面用于創(chuàng)建各種類型的機(jī)車模型。從生成輪對或獨(dú)立車輪開始，用戶可以一步步地建立一個完整的車輛模型。豐富的建模單元（例如軸箱、彈簧、輪軌踏面甚至完整的轉(zhuǎn)向架）都很方便地從數(shù)據(jù)庫或用戶指定的模型中獲取。Simpack Rail模型能實(shí)現(xiàn)完全參數(shù)化，方便進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（DOE）或最優(yōu)化。Simpack所有的模塊都相互兼容，Rail用戶也能借鑒其它行業(yè)應(yīng)用的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

線路建模

Simpack具有專業(yè)的建模工具用于建立任意形狀的軌道線路。線路模型不僅包括軌道布局，還包括線路的不平順性、柔性線路以及軌下結(jié)構(gòu)。

線路建模有制圖（輸入?yún)?shù)）和測量（輸入測量文件）兩種方法，并能通過施加激勵定義線路的軌道譜。

 

 

Simpack Rail還具有柔性軌道（Flextrack）建模和仿真功能，支持線性和非線性柔性軌道模型。通過該功能，可以進(jìn)行詳細(xì)軌道性能分析、道岔分析、車橋耦合性能分析等。

 

 

輪軌接觸

Simpack提供一系列高效的輪軌接觸算法。默認(rèn)方式下，Simpack使用標(biāo)準(zhǔn)的“等效接觸”法，使用單點(diǎn)或多點(diǎn)接觸，考慮輪軌之間的高頻接觸振動，并能大大地提高求解速度。如果模擬車輪抬起工況，Simpack使用高級的“離散接觸”法，能實(shí)現(xiàn)接觸班可視化，查看接觸應(yīng)力云圖。Simpack輪軌接觸模型還能用于沿長度變化的軌道線路仿真，包含道岔。

 

 

輪軌接觸中可以設(shè)置摩擦特性，并能考慮摩擦力隨接觸點(diǎn)的位置（縱向和橫向）和蠕變速度的變化而變化。車輪和軌道踏面可以直接從Simpack標(biāo)準(zhǔn)庫或測量數(shù)據(jù)中獲取。

 

 

應(yīng)用領(lǐng)域

Simpack Rail可以對所有類型的軌道車輛進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，用戶無論在時域還是在頻域中都能方便且準(zhǔn)確地獲得所需的仿真結(jié)果。

 

轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)與仿真

 

Simpack Rail可建立詳細(xì)的轉(zhuǎn)向架模型，包含一系、二系懸掛、減振阻尼器等部件。能通過靜平衡分析、預(yù)載荷分析對轉(zhuǎn)向架模型進(jìn)行“稱重”分析，使模型達(dá)到平衡狀態(tài)；能對轉(zhuǎn)向架進(jìn)行不同工況的仿真，獲得各部件的運(yùn)動和受力曲線，研究轉(zhuǎn)向架的性能，包括垂向力、側(cè)向力以及臨界速度等。

 

 

軌道線路設(shè)計(jì)

在Simpack Rail中能建立任意形狀的軌道線路，包含線路平縱斷面的關(guān)鍵參數(shù)，如平面圓曲線半徑、圓曲線長度、豎曲線半徑、坡段長度等參數(shù)。使用Simpack可以對線路設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究和分析，得到線路圓曲線最小長度、反向曲線夾直線最小長度、豎曲線最小半徑等關(guān)鍵參數(shù)的合理取值，能有效減少工程建設(shè)投入。

對線路線形方案進(jìn)行動力學(xué)分析及評估，能優(yōu)化線路布局，提高列車行駛舒適度，為鐵路線路參數(shù)的確定提供參考。

 

 

 

脫軌安全性分析

 

Simpack中建立的車輛模型，在不同的軌道線路和軌道譜上行駛，獲得車輛以不同的速度通過曲線軌道時的脫軌系數(shù)和輪重減載率等數(shù)據(jù)，評估其脫軌安全性。

 

 

乘坐安全性分析

 

軌道車輛的乘坐舒適性問題越來越受到關(guān)注，特別對于高速列車，振動過大會產(chǎn)生非常不好的乘坐體驗(yàn)。使用Simpack Rail可以仿真并評估軌道車輛的乘坐舒適性問題。

在軌道中施加軌道譜，建立柔性車體，在車輛任意位置測量加速度，并在后處理中通過過濾器對仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行EN12299舒適度分析，分析仿真結(jié)果是否能滿足設(shè)計(jì)要求。

 

 

軌下部件分析

 

軌下部件的性能直接影響軌道的性能，從而會對軌道車輛行駛性能產(chǎn)品影響。通過有限元軟件建立軌下部件的有限元模型，導(dǎo)入到Simpack Rail中，生成剛?cè)狁詈夏Ｐ停抡娌⒎治鲕壍儡囕v行駛過程中軌下部件的變形、受力及振動等特性，評估其性能對軌道以及對車輛行駛的影響。例如，研究鋼軌扣件對于道床的減振性能。

 

 

輪軌磨耗分析

 

軌道車輛經(jīng)過長距離的行駛后，車輪和軌道都會產(chǎn)生一定的磨損，如果磨損量過大就會對行車舒適性甚至安全性產(chǎn)生顯著影響，因此評估輪軌的磨耗量對研究軌道車輛行駛性能有實(shí)際意義。

Simpack Rail能預(yù)測車輪和鋼軌的磨損量（材料去除）。通過獲取輪軌接觸面位置和尺寸、接觸力和蠕變信息，預(yù)測行駛經(jīng)過此路程后車輪或軌道的磨耗數(shù)據(jù)。

 

車橋耦合分析

 

我國高速鐵路線路中橋梁占比非常高，車橋耦合性能對鐵路列車運(yùn)行的影響日益突出，我國《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確要求進(jìn)行車橋耦合動力學(xué)響應(yīng)分析和列車-橋梁耦合振動分析。

采用Simpack Rail和有限元軟件相結(jié)合的方法建立車橋耦合模型，對軌道車輛以設(shè)計(jì)時速經(jīng)過該橋梁工況進(jìn)行仿真，評估車橋耦合系統(tǒng)的安全性和舒適性，驗(yàn)證橋梁是否能滿足車輛的行駛要求，研究結(jié)果可為同類橋梁的建造和管理提供技術(shù)資料。

 

地震工況

 

我國地處環(huán)太平洋地震帶和地中海-喜馬拉雅地震帶交匯處，是世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。我國地震具有活動頻度高且具有強(qiáng)度大、震源淺、分布廣的特點(diǎn)。地震時軌道（包含高架橋軌道）的振動對行車安全有顯著的影響。高速鐵路行車密度大，運(yùn)行速度高，高速列車一旦脫軌將造成嚴(yán)重的損失。

基于Simpack軟件建立軌道車輛耦合動力學(xué)仿真模型，通過輸入地震波激勵計(jì)算高速列車-軌道（橋梁）系統(tǒng)在軌道不平順激勵和橫向地震動作用下的響應(yīng)并能評估高速列車運(yùn)行的安全性。研究在橫向地震荷載作用時，列車運(yùn)行安全脫軌系數(shù)、輪重減載率、橫向輪軌力等安全指標(biāo)與地震的強(qiáng)度和行車速度之間的關(guān)系，以及為保證列車運(yùn)行安全，對不同設(shè)防烈度不同場地下行駛的列車進(jìn)行限速的速度數(shù)值。

 

側(cè)風(fēng)工況

 

側(cè)風(fēng)擾動對于高速動車運(yùn)行是一個十分重要的安全影響因素。在強(qiáng)勁的側(cè)向風(fēng)作用下，列車所受到的側(cè)向氣動力和力矩有可能使列車橫擺超限、脫軌，甚至出現(xiàn)翻車和人員傷亡事故。因此，研究軌道在不同速度下抵御側(cè)風(fēng)能力，對于列車的安全運(yùn)行有著十分重要的指導(dǎo)意義。

利用Simpack軟件建立高速動車模型，在直線和曲線兩種工況下，著重分析走行部的動態(tài)行為安全性，如傾覆系數(shù)。側(cè)風(fēng)擾動作用的主要載荷特征，可以根據(jù)EN14067確定。通過Simpack仿真分析，能研究不同軌道曲線、不同行駛速度、不同橫風(fēng)速度情況下，分析列車受到的氣動力和氣動力矩對車體抗傾覆能力的影響，獲得不同軌道曲線下抵御側(cè)風(fēng)速度的極限值。

 

新型軌道車輛分析

 

Simpack作為通用的仿真軟件，能用于單軌和磁浮軌道車輛的建模和仿真，其中膠輪式單軌機(jī)車建模，需要借助Simpack Automotive模塊的輪胎建模功能。

對于磁浮車輛，除了常規(guī)的動力學(xué)分析之外，還能結(jié)合Simpack Reatime實(shí)時仿真模塊，建立磁浮車輛硬件在環(huán)實(shí)時仿真平臺，更加準(zhǔn)確地對車輛進(jìn)行性能評估。

 

 

限界分析

 

限界是指為了確保機(jī)車車輛在鐵路線路上運(yùn)行的安全，防止機(jī)車車輛撞擊鄰近線路的建筑物和設(shè)備，而對機(jī)車車輛和接近線路的建筑物、設(shè)備所規(guī)定的不允許超越的輪廓尺寸線。使用Simpack可以對所建立的機(jī)車模型和建筑物之間進(jìn)行多種限界分析，包括車體與隧道之間最小距離測量、使用標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行限界分析、框架的限界分析、使用掃掠包絡(luò)進(jìn)行限界分析等，預(yù)測間隙數(shù)據(jù)，為機(jī)車行駛安全提供保障。

 

 

其他分析

 

除了上述分析外，使用Simpack還可以對弓網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行分析。隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，接觸網(wǎng)和受電弓之間的動態(tài)接觸變得越來越復(fù)雜，通過Simpack研究弓網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)特性，模擬不同運(yùn)行速度下的弓網(wǎng)振動和接觸壓力響應(yīng)，以及機(jī)車運(yùn)行振動對受流的影響。

 

 

通過Simpack還能分析緊急制動工況下車輛停車距離并觀察輪軌接觸性能，獲得最小的停車距離、減速曲線、制動時車輪滑移情況、牽引控制系統(tǒng)耦合等結(jié)果。

 

 

總結(jié)

Simpack是專家級機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)/動力學(xué)仿真分析軟件，是世界上第一款采用完全遞歸算法、利用相對坐標(biāo)系建立模型的多體動力學(xué)軟件。Simpack Rail專業(yè)的軌道仿真解決方案能建立包含車輛、線路、軌道、軌下部件以及橋梁在內(nèi)的詳細(xì)的系統(tǒng)耦合動力學(xué)仿真模型，研究并評估相互作用下各個部件的性能。

Simpack Rail在全球范圍擁有廣泛的用戶群，主要的機(jī)車制造商、工程設(shè)計(jì)院、供應(yīng)商、運(yùn)營商、高校和科研院所都在使用Simpack Rail進(jìn)行仿真分析，從而大大降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。Simpack Rail與行業(yè)合作伙伴之間的項(xiàng)目合作和大量的驗(yàn)證試驗(yàn)，保證了仿真的可靠性，同時也提供了在軌道交通行業(yè)應(yīng)用中的豐富經(jīng)驗(yàn)。

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