鐵路車輛-橋梁耦合系統動力學與控制問題研究思路

摘要:如今傳統車輛-橋梁耦合系統動力學理論已日臻完善，理論分析已能在一定程度上代替試驗工作，從而可以節省大量的人力、物力。但隨著科技發展，機電技術正逐漸應用于現代車輛懸掛系統的設計中。目前懸掛系統已從傳統的被動懸掛發展到了主動懸掛階段，懸掛是影響車輛動力性能的關鍵部件，而車輛動力性能直接關系到了橋梁的動力性能，如何評估主動懸掛技術的采用對車輛-橋梁耦合系統動力性能的影響，成為車輛與橋梁動力相互作用研究需要面對的問題，也即是車輛-橋梁耦合系統動力學與控制問題，針對如何解決該問題本文提出了切實可行的研究思路。

關鍵詞:車輛橋梁動力學控制研究思路

中圖分類號:U463文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)03(a)-0253-02

1 引言

車輛在橋梁結構上運行時，車輛與橋梁結構之間會發生動力相互作用，隨著橋梁結構跨度的不斷增大，車輛速度的持續提高這種動力相互作用愈發明顯也因此愈發引起重視，這也推動了車輛與橋梁結構動力相互作用研究長足的發展，并已有一系列影響深遠的相關專著出版[1～5]。

如今傳統車輛-橋梁耦合系統動力學理論已日臻完善，理論分析已能在一定程度上代替試驗工作，從而可以節省大量的人力、物力。但隨著科技發展，機電技術正逐漸應用于現代車輛懸掛系統的設計中。目前懸掛系統已從傳統的被動懸掛發展到了主動懸掛階段，懸掛是影響車輛動力性能的關鍵部件，而車輛動力性能直接關系到了橋梁結構的動力性能，如何評估主動懸掛技術的采用對車輛-橋梁耦合系統動力性能的影響，成為車輛與橋梁動力相互作用研究需要面對的問題，也即是鐵路車橋耦合系統動力學與控制問題。目前關于這一問題的研究還未充分展開，下面介紹針對如何解決該問題，本文所采用的研究思路。

2 研究思路

由于車輛-橋梁耦合系統的復雜性，在進行車輛-橋梁耦合系統動力學與控制問題的研究時理論求解十分困難，必須借助計算機仿真手段進行數值求解。同時對于因機電技術的采用而引發出的動力學與控制問題，僅從單方面進行仿真研究往往是不夠全面的，一方面控制系統的控制力會潛在地影響動力系統的動力性能，而另一面動力系統的動力性能也直接關系到了控制系統控制效果，因此在仿真研究中必須采用動力學與控制一體化仿真的思路。動力學與控制一體化仿真研究涉及到仿真工具選擇以及仿真研究方法的確定。

2.1 仿真工具選擇

車輛-橋梁耦合系統動力學與控制問題，可以分解為車輛動力學與控制與車輛-橋梁耦合系統動力學兩個子問題。針對這兩個子問題的研究都已經非常充分了，這也就使車輛-橋梁耦合系統動力學與控制問題的研究有了堅實的基礎，下面介紹這兩個子問題研究特點，同時據此進行仿真工具的選擇。

目前對于車輛動力學與控制一體化仿真問題，多平臺聯合仿真與單平臺獨立仿真都有應用，多平臺聯合仿真主要采用的方案是利用常用的多體動力學軟件MSC.ADAMS(VI/rail)、Simpack進行動力學分析，利用MATLAB/Simulink進行控制力計算，二者通過系統接口進行數據交換實現動力學與控制一體化仿真;單平臺獨立仿真是采用MATLAB/Simulink單一平臺來進行動力學分析與控制力的計算，由于在同一平臺下所以動力學分析與控制力數據可實現無縫交換。對于車輛-橋梁耦合系統動力學仿真問題，由于問題的復雜性，沒有成熟商業軟件可供利用，有研究者嘗試通過多個商業軟件進行聯合仿真來達到車梁-橋梁耦合系統動力學分析的目的，但就總體而言，目前的大型商業軟件用于車輛-橋梁耦合動力分析始終存在計算精度不足及效率較低的問題。為此20世紀80年代以來，我國的一些研究院和高校對車輛-橋梁耦合動力學進行了一系列的研究和探索，各自建立了車輛-橋梁計算模型，并編制了相應的計算程序。

從以上兩個子問題的研究來看，對于車輛-橋梁耦合動力學與控制一體化仿真問題選用MATLAB/Simulink仿真系統是合適的，這主要是由于MATLAB/Simulink既有商業軟件的成熟性，又有自編軟件的靈活性，可與C和Fortran語言混合編譯并具備并行計算的功能，這樣就可充分利用現有車輛-橋梁耦合系統動力學仿真分析代碼，使仿真建模效率、仿真執行速度以及仿真結果可靠性都有充分的保證。

2.2 仿真研究方法

車輛-橋梁耦合系統是一個復雜的大系統，車輛與橋梁通過輪軌接觸點處的幾何相容條件和靜力平衡條件這兩條紐帶聯系起來。對于車輛-橋梁耦合系統動力分析仿真問題，可根據一般系統仿真的處理法則:即采取“分而治之”的辦法。將一個大系統分為若干個子系統，再根據具體的對象和研究目標確定模型的規模和與之相關的邊界，獲得有效的特定模型。依據此方法，采用自上向下的策略建立車輛-橋梁耦合系統的整體結構模型，然后再實現系統每一部分的模型。整個系統包括如下子系統:車輛子系統、橋梁子系統、輪軌子系統以及軌道不平順子系統。為提高車輛子系統仿真建模效率，保證對象模塊的通用性、可維護性、可擴充性，車輛子系統仿真模型采用面向對象方法進行建立，面向對象的建模方法是一個由底層向頂層的建模方法，根據面向對象的方法，整個模型可以被看成一系列離散對象的結合，對象具有封裝性、抽象性、多態性和繼承性。在進行車輛-橋梁耦合系統動力學仿真研究時，橋梁有限元振動方程的建立是工作量較大的部分，采用通用有限元分析軟件獲取橋梁結構特性矩陣建立橋梁振動方程無疑是高效、便捷的方法，目前大型有限元分析元件ANSYS因其具有計算結果可靠以及極佳的二次開發功能得到了工程界廣泛應用，為此選用ANSYS進行橋梁有限元建模，同時根據ANSYS的數據存儲規則編制其與MATLAB進行數據轉換的程序，充分利用ANSYS有限元建模功能。

在具體實施時首先建立基于分離迭代法的車輛-橋梁耦合系統動力學分析仿真平臺，然后建立車輛主動懸掛測控系統仿真模型，由于車輛-橋梁耦合系統動力學分析仿真平臺中車輛系統的面向對象特性，所以可以方便的將主動懸掛測控系統擴展至車輛-橋梁耦合系統動力學仿真平臺進而實現車輛-橋梁耦合系統動力學與控制一體化仿真。本文所建立的車輛-橋梁耦合系統動力學與控制仿真平臺及其分析流程如圖1、圖2所示。

3 結語

目前關于車輛-橋梁耦合系統動力學與控制問題還未充分展開，隨著機電技術在現代車輛懸掛設計中逐漸廣泛的應用，使得對這一問題的研究更顯迫切，本文在現有理論與技術基礎上為解決車輛-橋梁耦合系統動力學與控制問題提出了切實可行的研究思路。

參考文獻

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