[发明专利]一种高速铁路弓网耦合系统动力学响应分析的解耦建模方法

说明书

本发明公开了一种高速铁路弓网耦合系统动力学响应分析的解耦建模方法，包括接触网模型建立、受电弓模型建立、弓网系统耦合空间模型建立、弓网系统解耦化空间模型建立、非线性激励的线性化处理、指数矩阵精细算法等，通过建立高速弓网系统的非耦合运动方程，采用指数矩阵精细算法得到方程齐次项解的精确表达，采用线性化方法得到非齐次激励项的线性化表达，从而实现高速弓网系统动力学分析的快速、精确仿真。本发明所提出方法的应用可有效降低高速弓网系统模型仿真对仿真步长的敏感度，降低计算量，缩短仿真耗时，具有一定的实用性。

技术领域

本发明涉及高速铁路接触网技术领域，具体为一种高速铁路弓网耦合系统动力学响应分析的解耦建模方法。

背景技术

电气化铁路中，动车组主要依赖受电弓滑板与架空接触网的滑动接触实现取流，受电弓滑板与接触线之间的接触压力是评估受流质量的关键指标。接触压力是否稳定直接关系到动车组的运行安全，接触压力过大会造成受电弓碳滑板和接触线过度磨损，或引起接触网零部件疲劳加剧，引起刮弓事故；接触压力过小则会引起电火花或拉弧，引起受电弓碳滑板和接触线的电腐蚀加剧，导致动车组电压波动剧烈，严重时可造成弓网离线。因此，随着我国动车组运行速度的提高，对高速弓网系统动力学特性进行研究，以降低接触压力波动改善受流质量对于保证高速铁路运营安全十分重要。

建立弓网系统的动力学模型并进行仿真分析是研究高速弓网系统动力学特性的重要措施。Finner等提出采用有限差分法建立接触网动力学模型，并使用显式两部积分法进行接触网动态响应的求解。Pombo等、Cho等采用有限单元法建立接触网模型，并结合受电弓多体动力学模型进行弓网耦合系统的动力学分析。毕继红等基于有限元法建立接触网模型，对不同类型接触网的疲劳寿命进行分析。Kim等采用ANCF梁单元建立接触网模型，以分析接触网的大变形问题。在弓网耦合系统进行动力学响应求解方面也存在多种积分方法，如常用的Newmark法、Admas法、Runge-Kutta法、显示积分法等。

上述建模仿真方法均可用于高速弓网系统的动力学特性分析中，但仍存在以下问题：一是有限元法仿真矩阵维数较大，求解效率低；二是常用弓网系统动力学求解方法将外部激励视为在较小的积分步长内为线性变化，对积分步长敏感性较高，计算量较大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高速铁路弓网耦合系统动力学响应分析的解耦建模方法，以在保证弓网系统动力学响应求解精度的同时降低对积分步长的敏感度，减少计算量。技术方案如下：

一种高速铁路弓网耦合系统动力学响应分析的解耦建模方法，包括以下步骤：

步骤一：采用欧拉-伯努利梁模型建立架空接触网模型，并基于模态叠加原理建立平衡状

态下的接触网系统的运动微分方程，表示为矩阵形式如下所示：

其中，下标A和B分别表示接触网系统中的承力索和接触线，M_A和M_B分别为承力索和接触线的广义质量矩阵；C_A和C_B分别为承力索和接触线的广义阻尼矩阵；K_A和K_B分别为承力索和接触线的广义刚度矩阵，K_AB和K_BA为承力索和接触线的耦合刚度矩阵；和分别为接触线和承力索的广义加速度向量，和分别为接触线和承力索的广义速度向量，Y_A和Y_B分别为接触线和承力索的广义位移向量；

步骤二：采用三质量块模型建立移动受电弓模型，其平衡状态下运动方程的矩阵形式表示如下：