仿真軟件在車輛工程專業實驗教學中的應用

李 響, 張嘉鷺, 劉鳳國

(江蘇師范大學 機電工程學院,江蘇 徐州 221116)

當今,世界各國間的高速鐵路競爭愈加激烈,據統計,截至2021年,共有20多個國家及地區正在修建或規劃修建高速鐵路[1]．我國經過十幾年的高速鐵路建設,目前,除西藏和澳門外,其他省份均開通了高速鐵路．到2025年,我國鐵路網規模將達17.5萬km,其中高速鐵路約為3.8萬km[2]．

高速鐵路的快速發展需要大量的專業人員,為此,國內多所高校開設了面向軌道交通領域的車輛工程專業．在專業人才培養過程中,實驗教學占有重要地位．由于實驗教學存在設備復雜、成本高以及耗時長等局限性,車輛工程專業授課過程多采用理論教學和實驗器材參觀等方式,但這容易導致學生缺少對車輛和軌道結構組成的系統性認知,從而很難將所學知識與實際運行工況相結合[3]．

建立基于軟件技術的車輛工程專業教學仿真模型,能夠有效解決實驗教學面臨的困境:1)有效降低實驗教學成本．仿真軟件可在界面中添加傳感器模塊,獲得車輛-軌道數據,緩解實驗設備購置經費短缺、實驗場地緊張以及測試技術難以保證等問題[4]．2)合理優化實驗教學資源．仿真軟件通過網絡互聯,可以與機房實訓同步操作,實現資源優化和開放共享[5-6],不受學習地點和實驗設備的限制．3)極大地提升實驗教學效果．仿真模型能夠實現復雜結構可視化、裝配關系動態化[7],獲得車輛在設計的線路條件和軌道激勵下運行時的響應輸出．

1 仿真模型的建立

有限元理論和動力學方法作為車輛-軌道系統研究的常見手段,從靜態輪軌接觸精細化建模和車輛-軌道系統動態可視化效果2個方面實現仿真教學的實際價值．本文應用仿真軟件HyperMesh和Simpack分別建立輪軌接觸有限元模型和車輛-軌道系統動力學模型,根據實際運行工況確定邊界條件和等效模擬．

1.1 輪軌接觸有限元模型

1.1.1 有限元分析方法隨著我國軌道交通逐漸向重載和高速方面發展,車輪與鋼軌相互作用導致輪軌出現多種形式的磨損和破壞,如車輪的劃傷、扁疤和多邊形,以及鋼軌型面磨耗和波磨等,這些常見的輪軌磨損可以通過仿真軟件進行初期模擬．

有限元分析方法是一種基于數值分析的方法,其本質是將具有無窮多自由度的連續體劃分為有限自由度的單元體集合,將處理連續復雜物體的偏微分方程組轉變為有限的代數方程組的求解過程[8]．其優點是數學邏輯嚴謹、物理概念明確、計算精度高且處理靈活,能夠有效地對產品進行評價、優化和改進．通過HyperMesh軟件進行有限元模擬,清晰再現輪軌間微小的相對位移變化,學生可以深入了解輪軌接觸狀態、材料屬性以及約束條件．

1.1.2 輪軌接觸有限元模型的構建由于輪軌接觸區域相對整個模型尺寸較小,且接觸區域應力較大,因此,需要對輪軌接觸區域進行更加細致的網格劃分,才能得到精確解．

在網格劃分過程中,可以將輪軌模型分為過渡和接觸區域網格(圖1),有針對性地建立輪軌接觸有限元模型,結合車輛實際運行工況確定輪軌接觸邊界條件,得出輪軌作用相關數據．在輪軌接觸有限元模型中,鋼軌底部施加全約束固定,車軸兩端軸箱位置施加縱、橫向約束,車輪兩端施加垂向載荷[9]．

圖1 輪軌接觸示意圖Fig.1 Wheel-rail contact state

1.2 車輛軌道系統動力學模型

1.2.1 車輛軌道系統結構車輛系統主要由輪對、轉向架和車體組成,部件間通過懸掛系統進行鉸接．軌道系統主要由鋼軌、扣件、多種形式的軌枕、枕下減振裝置以及道床組成,多層結構可以有效過濾振動和噪聲．車輛系統和軌道系統在軌道激勵作用下,通過輪軌接觸實現力和振動的傳遞,統稱為車輛-軌道系統(圖2)．

圖2 車輛-軌道系統結構關系Fig.2 The structural relationship on vehicle-track system

1.2.2 車輛軌道系統動力學仿真模型的構建由于動力學研究的目的不同,整體的簡要研究與局部的詳細研究在模型精度方面有明顯差異.結合車輛工程專業特色和課程設計需要,對車輛重要結構組成進行等效模擬．

利用Simpack軟件設計2種仿真模型.1)轉向架模型(圖3a)．轉向架由輪對、軸箱、構架、懸掛裝置、驅動裝置和基礎制動裝置組成,懸掛參數和結構參數決定了其動力學性能[10].它是車輛重要承載部件,其結構是否合理直接影響車輛運行品質、動力學性能和行車安全．本文以加速度為例進行試驗.2)軌道模型．借助軟件,根據特定需要建立單層或多層軌道結構,實現減振降噪功能．以連續扣件和承載均勻的減振材料等效為特定順序排列的彈簧-阻尼力元,建立普通彈性軌道模型(圖3b)．

圖3 車輛-軌道系統仿真模型Fig.3 The simulation models of vehicle-track system

2 仿真效果

2.1 有限元仿真和試驗測試對比

以輪軌接觸斑為例,對仿真結果與試驗數據進行對比分析．采用與仿真模型相同的車輪和鋼軌材料試樣,通過輪軌接觸試驗臺得出實際工況下的輪軌接觸斑形狀和位置.車輪與鋼軌在對中位置的接觸斑呈現近似規則的橢圓形(圖4).在相同位置,試驗所得接觸斑與有限元仿真接觸斑形狀極為相似:其中試驗所得接觸斑長度為24 mm,寬度為12 mm,有限元仿真所得接觸斑長度為25 mm,寬度為14 mm(有限元網格為1 mm見方),數值相差較小.從接觸斑面積和形狀可以看出,試驗結果和仿真結果接近．

圖4 接觸斑形狀對比Fig.4 Comparison of contact spots

2.2 動力學仿真與試驗測試布點情況

車輛沿軌道運行時,輪軌間的相互作用使得車輛結構產生速度、位移和加速度,車輛隨之產生振動,直接影響旅客乘坐舒適度．在動力學仿真中,傳感器返回仿真過程中額外的運動學測量信息,這些信息用于仿真過程或后處理數據輸出.以加速度測試為例,在車輛動力學仿真模型中,軸箱(A)、轉向架(B)和車體(C)的傳感器測試位置見圖5a．

在試驗中,加速度測點位置和動力學仿真模型測點位置相對應(圖5b)．通過設置線路參數、軌道激勵以及行車速度,得出車輛動力學響應輸出結果．

圖5 加速度測量Fig.5 Acceleration test

根據實際運行工況模擬某線路的車輛運行情況,由于篇幅原因,僅以垂向加速度為例．表1為車輛的仿真和試驗對比數據,可以看出二者的車體、轉向架和軸箱的加速度數據比較接近,驗證了仿真實驗教學方法的可行性.

表1 車輛垂向加速度對比數據Tab.1 Comparative data of vertical vehicle acceleration

3 結語

針對車輛工程專業實驗教學設備復雜且成本較高,場地和時間受限以及運行工況無法再現等問題,根據實際的輪軌接觸狀態和車輛運行工況條件,利用軟件HyperMesh和Simpack分別建立輪軌接觸有限元模型和車輛-軌道系統動力學模型,實現復雜結構可視化、裝配關系動態化的效果,有效解決實驗教學面臨的困境．將仿真軟件計算得到的數據與現場試驗結果進行對比,驗證仿真結果的正確性和仿真實驗教學方法的可行性,體現仿真實驗教學的實際應用價值．