[发明专利]一种高速铁路弓-网-车-轨垂向耦合大系统动力学建模仿真方法

摘要

本发明公开了一种了高速铁路弓‑网‑车‑轨垂向耦合大系统动力学建模仿真方法，分别建立接触网、弓‑车、轨道三个系统独立的动力学模型及相互之间的接触模型，并提出一种耦合积分算法实现高速铁路弓‑网‑车‑轨大系统的耦合动力学仿真计算。与传统方法相比，本发明能够考虑弓网和车轨两系统之间的双向交互影响规律，仿真计算更加符合实际，能够提高后续工程设计的精确性和安全性。

主权项

1.一种高速铁路弓‑网‑车‑轨垂向耦合大系统动力学建模仿真方法，在同时考虑弓网接触、轮轨接触以及吊弦不同工作状态不光滑非线性特性影响因素的情况下进行高速铁路受电弓‑接触网‑车体‑轨道垂向耦合大系统建模仿真，以反映弓网与车轨之间的相互耦合作用，包括如下具体步骤：1)、分别建立接触网、弓‑车、轨道动力学模型；步骤1.采用有限元方法建立接触网动力学模型，其动力学方程表示为：其中，M_C、C_C、K_C分别为接触网质量、阻尼、刚度矩阵，X_C(t)分别为接触网加速度、速度、位移矩阵，F_C(x,t)为外界激励；步骤2.采用模态分别法建立轨道动力学模型，其动力学方程可表示为：其中，M_T、C_T、K_T分别为轨道质量、阻尼、刚度矩阵，X_T(t)分别为轨道加速度、速度、位移矩阵，F_T(t)为外界激励；步骤3.采用多体动力学方法建立受电弓‑车体动力学模型，其动力学方程表示为：其中，M_V、C_V、K_V分别为弓‑车质量、阻尼、刚度矩阵，X_V(t)分别为弓‑车加速度、速度、位移矩阵，F_V(t)为外界激励；2)、分别构建弓网、车轨接触模型步骤1.采用罚函数方法构建弓网接触模型：其中，K_S为弓网接触刚度，y₁(t)受电弓弓头位移，y_c(t)为接触线接触点垂向位移，f_c(t)为弓网接触力，步骤2.根据赫兹理论构建轮轨接触模型：其中G为赫兹常数，f_wj(t)为第j个车轮与轨道的接触力；w_r(x_wj,t)为接触点的轨道位移，Z_wj(t)为第j个车轮的垂向位移；w₀(t)为轨道静态不平顺；x_wj为第j个车轮与轨道的接触点；3)、通过数值求解方法对弓‑网‑车‑轨复杂耦合动力学系统进行求解，在每个时间步内的迭代算法如下：(1)根据车辆运行速度和当前时刻确定弓网和轮轨的接触点；(2)通过轮轨接触模型计算车轨之间作用力f_wj(t)；(3)采用弓网耦合模型耦合网‑弓‑车系统，并将轮轨力施加到弓‑网‑车系统中计算接触网响应X_C(t)和受电弓‑车体响应X_V(t)；(4)根据受电弓‑车体响应X_V(t)与轮轨接触模型更新车轨之间作用力f_wj(t)；(5)将车轨作用力施加到轨道模型，计算轨道响应X_T(t)，并判断收敛性，如果满足则进入下一时间步，如不满足则返回步骤(2)；4)、将以上仿真结果输入至显示或后续处理设备。