基于SIMPACK的城际动车组建模与仿真

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　　摘  要：文章以某城际动车组为研究对象，依靠多体动力学软件SIMPACK建立单节拖车仿真模型，并对车辆动力学性能进行分析。仿真结果表明：非线性临界速度、脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、轮轨横向力等指标均在规定的安全限值以内。此外，應用Sperling平稳性指标来评价车辆运行舒适性，得出该动车组的横向和垂向运行平稳性等级均为“优”，且车辆横向运行平稳性优于垂向运行平稳性。
　　关键词：动车组;动力学仿真;安全性;舒适性
　　中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）15-0024-02
　　Abstract： An intercity EMU is regarded as the research object in this paper. A single trailer simulation model is established and vehicle dynamicsperformance are analyzed by using SIMPACK. The simulation results show that the non-linear critical speed， derailment coefficient， wheel load reduction rate， wheel axle lateral force， wheel rail lateral force and other indicators are all within the specified safety limits. In addition， it is concluded that the horizontal and vertical running stability of the EMU is "excellent" by using the Sperling stability index to evaluate the running comfort of the vehicle， and the horizontal running stability of the vehicle is better than the vertical running stability.
　　Keywords： EMU; dynamics simulation; safety; comfort
　　1 SIMPACK软件介绍
　　多体动力学软件SIMPACK可进行动力学仿真分析，模拟整车的系统振动特性、各构件的受力情况等等，特别是轮轨模块（Wheel/Rail）应用十分广泛。此外，SIMPACK 还可与 ANSYS、MATLAB等软件进行接口。研究人员使用该软件可快速建立动力学模型，随即自动形成力学方程，并得到系统的动态特性或频域特性。该软件采用先进的相对坐标系建模，求解迅速、稳定、可靠[1]。
　　2 动车组仿真模型的建立
　　2.1 建立轮对模型
　　在SIMPACK的轮轨模块中，通过体（Body）设置轮对的物理属性（质量、质心、转动惯量等），然后定义左右轮轨关系，选择车轮踏面为S1002CN、轨道型面为60kg/m，输入相关参数，最后在轮对上创建mark点坐标。
　　2.2 建立转向架模型
　　定义构架的物理特性、外形及构架上mark点坐标，导入轮对模型，建立轴箱并确定轴箱mark点，轴箱定位方式为转臂式，将轴箱与轮对铰接（Joint）在一起，构架和转臂轴箱上对应的mark点坐标通过力元（Force）形式连接，将一系轴箱弹簧简化为5号力元，一系垂向减振器简化为6号力元形式。
　　在建立二系悬挂系统时引入虚车体（为了避免二系悬挂系统重复做两次），同样在虚车体和构架上分别创建空气弹簧、二系横向减振器、抗蛇形减振器、横向止挡、抗侧滚扭杆、牵引拉杆等部件对应的mark点坐标。
　　本文假设抗蛇形减振器阻尼力具有非线性特性，横向止挡的止挡力变化与横向止挡的位移同样呈非线性特性，其他部件均作线性化处理。对于非线性元件，具体做法如下：选择线性插值函数（Linear Interpolation）的形式，输入函数关键点的相应横纵坐标，通过将输入函数（Output Function）调用到力元（Forces）中来设置横向止挡、抗蛇行减振器等非线性力。同样将车体和转向架上对应点坐标通过力元形式连接起来，将空气弹簧、横向止挡简化为5号力元，抗蛇形减振器、二系横向减振器简化为6号力元，Z型牵引拉杆简化为5号力元，抗侧滚扭杆简化为13号力元。
　　2.3 建立车体模型
　　输入车体的质量等物理特性，导入前后转向架，移动子结构下的轮对、构架至正确的位置，修改部分参数，整车模型建好，所建拖车模型如下图1所示。
　　2.4 名义力分析
　　一系轴箱弹簧、二系空气弹簧均考虑x（纵向）、y（横向）、z（垂向）三个方向的力元，转臂节点考虑x、y两个方向力元，称重之后，得出其最大残余加速度远小于0.01m/s2，说明所建拖车模型正确。
　　2.5 添加激励，制作PSD
　　在SIMPACK中导入轨道激励数据文件，或用功率谱密度函数PSD来描述轨道不平顺，在PSD中输入轨道谱的多项式系数。本文以德国高速高干扰轨道谱（适用速度250km/h以下）作为轨道激扰。
　　3 动力学仿真计算与分析
　　3.1 稳定性分析
　　临界速度是评价车辆运行稳定性的最直接指标，是保障车辆安全舒适运营的前提。由于车辆在运行时往往表现出非线性特性，本文主要介绍非线性临界速度的计算，具体方法为：新建一个力元（大小为车体质量的一半），以正弦激励作为激扰（长度为50m），车辆以较高的初始速度通过轨道不平顺后，继续在直线轨道上运行，在新建力元的作用，拖车的运行速度逐渐衰减，最终可根据轮对的横移量判断模型是否收敛以及车辆非线性临界速度的数值。 　　本文以某城际动车组为研究对象，通过计算分析可知车辆的非线性临界速度为308km/h，远高于车辆的最高运行速度200km/h，可知车辆系统运行安全平稳，无蛇形失稳现象发生。
　　3.2 安全性分析
　　一般以脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、轮轨横向力等作为评定车辆运行安全性能的重要指标[2]。在仿真模型中，曲线线路的设置如下：直线（100m）-缓和曲线（240m）-圆曲线（500m）-缓和曲线（240m）-直线（500m），曲线半径为1500m，外轨超高为120mm，车辆运行速度为160km/h，仿真时间为25s，保存模型，离线积分。在SIMPACK软件后处理中打开模型，依次选择前转向架前轮对的左右轮受到的轮轨横向力、轮轴横向力等，并按照相关规定进行滤波，得到的仿真数据如下所示。
　　（1）脱轨系数是指在某时刻轮对一侧车轮的横向力和车轮垂向力的比值，它是评价脱轨几率的一个重要指标。通过计算可知车辆脱轨系数为0.334，小于95J01-M《高速试验列车客车强度及动力学性能规范》中规定脱轨系数的安全限值0.8。
　　（2）仅依靠脱轨系数不能全面判断车辆运行是否安全，因此还需要引入轮重减载率（减载一侧的车辆轮重减载量与轮对平均静轮重的比值）来全面衡量车辆脱轨的可能性[3]。通过计算可知动车组轮重减载率为0.261，小于95J01-M《高速试验列车客车强度及动力学性能规范》中规定的轮重减载率安全限值0.6。
　　（3）轮轴横向力过大会使线路变形失稳，因此必须对其进行限制。根据我国《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》规定[4]，此模型的轮轴横向力安全限值为61kN，通过计算可知车辆的轮轴横向力为20.9kN，远远小于其安全评定限度值。
　　（4）随着车辆运行速度的提高，线路条件不断恶化，轮轨横向力过大可能会损坏扣件，甚至引起轨道横移，造成脱轨现象的发生，因此必须对轮轨横向力进行限制。通常取0.4倍轴重作为轮轨横向力的允许限值，本文所建拖车模型轴重为14t，通过计算可知该拖车的轮轨横向力（23.1kN）远远小于其安全限值（54kN）。
　　3.3 舒适性分析
　　衡量车辆动力学性能的另一项重要技术指标是车辆运行的舒适性。在仿真模型中，轨道设置为直线，长度设置为2000m，仿真时间设置为20s，拖车运行速度为160km/h。根据国标GB5599-1985的相关规定，在距离前后转向架中心1m处的车体地板上安装加速度传感器作为采集位置，保存模型，离线积分。在SIMPACK后处理中打开离线积分文件，将传感器测得的数据（横向加速度、垂向加速度）导入到MATLAB中进行平稳性计算，通过SIMPACK-MATLAB联合仿真测得的数据如下。
　　经计算，该模型车横向平稳性指标为1.8596，垂向平稳性指标为2.2661，说明该动车组車辆沿一定轨道运行时横向和垂向运行平稳性等级均为“优”，且在计算时间内，车辆横向运行平稳性优于垂向运行平稳性。
　　4 结束语
　　本文以某城际动车组为研究对象，依靠多体动力学软件SIMPACK建立单节拖车仿真模型，并对车辆动力学性能进行分析。结果表明：非线性临界速度、脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、轮轨横向力等指标均在规定的安全限值以内。此外，应用Sperling平稳性指标来评价车辆运行舒适性，得出该动车组的横向和垂向运行平稳性等级均为“优”。
　　此外，为科学分析城际动车组转向架的动力学性能，在今后的研究工作中，应考虑建立整列车的仿真模型，并充分考虑个别部件的弹性振动，考虑车辆-轨道耦合，以提高仿真的准确性。
　　参考文献：
　　[1]寇丽君.运用SIMPACK软件仿真的动力学分析[J].机电教育创新，2018（12）：136
　　[2]严隽耄.车辆工程[M].北京：中国铁道出版社，2008.
　　[3]张孟，张轮.高速动车转向架动力学性能SIMPACK仿真建模与分析[J].城市轨道交通研究，2015（10）：36-41.
　　[4]王福天.车辆系统动力学[M].北京：中国铁道出版社，1994.
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