[发明专利]一种高铁弓网动态行为动网格不平衡力消除的仿真方法

说明书

本发明公开了一种用于高铁弓网动态行为动网格不平衡力消除的仿真方法，包括以下步骤：步骤1：根据有限元和多体动力学方法构建弓网非线性仿真模型；步骤2：每个仿真步时间t中，采用动网格方法加密接触线上接触点周围的网格；步骤3：通过迭代算法消除动网格中的不平衡力；步骤4：通过Newmark‑β算法求解仿真步时间t时的响应；步骤5：重复步骤2～4，直至受电弓遍历整个接触线完成弓网动力学仿真；本发明可消除采用动网格技术产生的不平衡力，用于非线性有限元求解中，提高求解效率和求解精度。

技术领域

本发明涉及高铁弓网动态行为的仿真方法，具体涉及一种高铁弓网动态行为动网格不平衡力消除的仿真方法。

背景技术

高速铁路受电弓和接触网系统负责为高速运行的电力机车输送电能，弓网之间通过滑动接触实现电能的持续传输；为了研究弓网之前复杂的动力学行为，通常采用有限元方法构建接触网的数学模型，通过迭代求解的方法的到弓网交互作用下的动态响应；然而，由于接触网具有大跨距、长距离等特点，弓网的动态仿真的计算量是十分可观对的；为了提升弓网的计算效率，Jimenez-Octavio、Carnicero、Sanchez-Rebollo和Such等人提出了弓网系统的动网格仿真技术，该成果《A moving mesh method to deal with cablestructures subjected to moving loads and its application to the catenary-pantograph dynamic interaction》发表于期刊《Journal of Sound and Vibration》的第349卷216-229页；该方法的核心思想是在弓网动态交互仿真过程中，局部加密接触点附近的接触线网格，起到提高计算精度、提升计算效率的目的；然而，这一方法目前只能用于线性有限元模型中，无法考虑接触线大变形产生的几何非线性；当考虑接触线的几何非线性时，新生成的动网格会产生较大的不平衡力，从而引起较大的误差，甚至无法求解。

发明内容

本发明提供一种可消除采用动网格技术产生的不平衡力的仿真方法，用于非线性有限元求解中，提高求解效率和求解精度的一种高铁弓网动态行为动网格不平衡力消除的仿真方法。

本发明采用的技术方案是：一种用于高铁弓网动态行为动网格不平衡力消除的仿真方法，包括以下步骤：

步骤1：根据有限元和多体动力学方法构建弓网非线性仿真模型；

步骤2：每个仿真步时间t中，采用动网格方法加密接触线上接触点周围的网格；

步骤3：通过迭代算法消除动网格中的不平衡力；

步骤4：通过纽马克贝塔算法求解仿真步时间t时的响应；

步骤5：重复步骤2～4，直至受电弓遍历整个接触线完成弓网动力学仿真。

进一步的，所述步骤3通过迭代算法消除动网格中的不平衡力的具体过程如下：

S1：提取动网格区域固定网格节点的位移响应；

S2：根据网格节点的位移初始化动网格节点的位移；

S3：根据弓网非线性仿真模型得到广义单元刚度矩阵和不平衡力矩阵；

S4：根据步骤S1和步骤S2中得到的动、定网格节点位移得到广义局部刚度矩阵和不平衡力向量；

S5：对步骤S3和步骤S4中得到的矩阵和向量施加局部约束条件；

S6：计算动网格位移增量，更新动网格位移响应；

S7：检验收敛性，若收敛则转入步骤4，若不收敛则转入S2。

进一步的，所述步骤1具体过程如下：