[发明专利]基于线性叠加的受电弓刚性接触网系统动态行为仿真方法

说明书

本发明公开了一种基于线性叠加的受电弓刚性接触网系统动态行为仿真方法，具体为：基于有限元方法和多体动力学方法构建受电弓‑刚性接触网系统仿真模型；计算并组装受电弓‑刚性接触网系统切线矩阵，将切线矩阵线性化，基于Newmark‑β假设，计算恒定广义切线矩阵与广义载荷恒定分量；计算单个时间步内，受电弓弓头受到单位接触力载荷时的位移增量，计算单个时间步内，刚性接触网在各个接触点位置处受到单位接触力载荷时的位移增量；基于线性叠加法，迭代求解受电弓‑刚性接触网接触力。本发明可有效减少受电弓‑刚性接触网动力学求解过程中不必要的迭代计算过程，可大幅提高模型求解效率，同时保持极高的求解精度。

技术领域

本发明属于电气化铁路受电弓-刚性接触网动态仿真技术领域，具体涉及一种基于线性叠加的受电弓刚性接触网系统动态行为仿真方法。

背景技术

受电弓-刚性接触网系统是隧道内电气化列车获取电能的重要途经。由于实际线路试验成本高昂，基于有限元方法的数值仿真是研究受电弓-刚性接触网动态性能的主流方法。目前，受电弓-刚性接触网系统有限元模型的运动方程主要是通过逐步积分法进行求解。A.Bautista等(A.Bautista,J.Montesinos,P.Pintado.Dynamic interaction betweenpantograph and rigid overhead lines using a coupled FEM-Multibody procedure[J].Mech.Mach.Theory.2016,97:100-111)采用梁单元建立了刚性接触网的有限元模型，并仿真了弓网间的动态接触。C.Vera等(C.Vera,B.Suarez,J.Paulin,et al.Simulationmodel for the study of overhead rail current collector systems dynamics,focused on the design ofa new conductor rail[J].Veh.Syst.Dyn.2006,44:595-614)采用有限元软件ANSYS模拟了刚性接触网的动态响应。周宁等(周宁，邹欢，邹栋，等.城市轨道交通弓网系统仿真模型适应性研究[J].西南交通大学学报，2017，52(2)：408-423)对比了刚性接触网的变刚度模型与有限元模型，证明了高速工况时，有限元模型所得结果更加准确。L.Chen等(Chen L,Liu Z,Zhang J,Hu Z.Influence ofkey parameters on highspeed overhead conductor rail and pantograph system.In:Klomp M.,Bruzelius F.,Nielsen J.,Hillemyr A.(Eds.)Advances in Dynamics ofVehicles on Roads andTracks.IAVSD 2019.Lecture Notes in Mechanical Engineering.Springer,Cham.https://doi.org/10.1007/978-3-030-38077-9_25.)采用绝对节点坐标法建立了刚性接触网的有限元模型，并进行了弓网动态仿真。现有的研究中主要采用Newmark-β方法求解系统运动方程，考虑到非线性因素，一些学者在Newmark-β迭代过程中同时采用牛顿迭代法求解系统的非线性动态平衡解。在迭代求解过程中，需要反复更新系统刚度矩阵、切线矩阵以及载荷向量，并且每次迭代均会涉及到大矩阵的求逆运算，使得受电弓-刚性接触网系统动态仿真计算效率底下。在进行大批量仿真时，计算成本往往让人难以接受。

发明内容

为解决受电弓-刚性接触网系统动态仿真效率低下的问题，本发明提供一种基于线性叠加的受电弓刚性接触网系统动态行为仿真方法。

本发明的一种基于线性叠加的受电弓刚性接触网系统动态行为仿真方法，包括以下步骤：

步骤1：基于有限元方法和多体动力学方法构建受电弓-刚性接触网系统动态仿真模型。