鐵道車輛動力學模型設計及優化分析

劉永強，戴煥云

?

鐵道車輛動力學模型設計及優化分析

劉永強，戴煥云

（西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

采用多體動力學軟件SIMPACK建立鐵道車輛動力學模型，并對其進行優化分析，調用SIMPACK計算不同車輛懸掛參數下的車輛動力學性能，包括安全性、穩定性、舒適性等指標。采用脫軌系數、傾覆系數、輪軌橫向力評價指標對車輛運行安全性進行評定，優化分析采用最優試驗設計方法構建了近似模型，經過優化計算，車輛的動力學綜合性能提高了30%以上，每一個動力學指標都有不同程度的提高。

鐵道車輛；動力學；模型設計；可靠性

隨著高速鐵路和重載鐵路的大力發展[1]，車輛與線路之間的作用力急劇增大[2]，車輛高速和重載運行帶來的動力學問題需通過一二系懸掛參數來進行調節。

1 車輛系統動力學模型

車輛動力學的具體內容是研究車輛及其主要零部件在各種運用情況下，特別是在高速運行時的位移、加速度和由此而產生的動作用力。

其目的在于解決下列主要問題：確定車輛在線路上安全運行的條件；研究車輛懸掛裝置和牽引緩沖裝置的結構、參數和性能對振動以及動載荷傳遞的影響，并且為這些裝置提供設計依據，從而保證車輛高速、安全和平穩地運行；確定動載荷的特征，為計算車輛動作用力提供依據。

鐵路車輛在線路上運行時，構成一個極其復雜的具有多自由度的振動系統，如圖1所示。

圖1 車輛動力學結構簡圖

鐵道機車車輛系統的運動微分方程組可表示為[3-4]：

車輛動力學的研究方法有試驗法、理論分析法和仿真分析法三類[5-6]。

試驗法分為在試驗線路試驗及在正線試驗運行車輛的線路試驗和在滾動臺、振動臺、滾動振動臺上運行的試驗臺試驗[7]。理論分析法一般有線性、非線性等簡化或者局部模型的方法。仿真分析方法一般分為三種：主要針對某一方面進行研究的傳統計算機數值仿真；大系統和復雜模型的仿真采用的虛擬現實技術；半實物半仿真的混合仿真。

在車輛動力學設計的不同階段，根據實際情況采用這三種設計方法中的某一種。在車輛的概念設計階段，一般采用虛擬現實技術，因為這種技術只需要知道一些基本的結構參數和懸掛性能參數。在車輛動力學具體設計中，一般采用混合仿真技術，這樣就可以確定實物計算與計算機仿真之間的誤差。在完成試驗車輛的生產后，一般通過試驗線路及正線試驗運行，通過檢測儀器記錄車輛動力學的性能，并與車 輛動力學數值仿真計算結果進行比較分析，進而優化車輛動力學性能。

2 SIMPACK車輛動力學建模

2.1 車輛參數

以曼徹斯特標準中的車輛1為對象，車輛的具體參數如表1、表2所示。

表1 車輛模型參數

表2 車輛尺寸

建立車輛動力學模型時有如下基本假設：可抽象為體的元件有車體、轉向架的構架和搖枕或側架和搖枕、輪對等；不考慮鋼軌的彈性變形，鋼軌的彈性對于車輛的動力學性能只在高頻時影響才較大，而在線路的低頻激擾下影響不大，因此對線路只考慮其不平順的激擾；車體、轉向架的結構完全對稱，前后轉向架相同，基本對稱于車體中心。

2.2 SIMPACK軟件設置和建模

設置重力加速度為9.81 m/s2、軸正方向朝下，定義變量構建模型主體如圖2所示。定義軌道、設置彈簧懸掛的彈力參數，最終生成的模型如圖3所示。

車輛要在直線和試驗曲線上都擁有良好的動力學性能。根據要求設置兩種線路如表3。

表3 兩種線路的設置

圖2 示意模型

圖3 車輛動力學模型

3 懸掛參數優化結果分析

優化模型由目標函數、約束變量和決策變量三部分組成。由于該設計是一個多目標優化問題，并且各子目標的量綱不相同，所以使用歸一化方法建立目標函數，首先需確定每個子目標的權重系數，其為標準值的倒數[8]。如表4所示，經過優化后，總目標值提高了34.71%。近似模型與直接使用SIMPACK動力學計算存在一定誤差，故近似模型是否能代替SIMPACK進行優化設計，關鍵是看近似模型的可靠性。

4 結論

本文采用多體動力學軟件SIMPACK和多學科優化方法進行了鐵道車輛動力學性能優化。通過優化分析，改變了懸掛參數的數值，使得車輛的動力學性能普遍有了提高。

（1）將多體系統動力學運用到鐵道車輛的動力學分析，可以求出機車車輛上各點在空間的位移、速度和加速度，計算零件之間的相互作用力以及鐵道車輛的動力學性能分析；

表4 不同線路優化前后動力學性能指數

（2）綜合直線線路和曲線線路下的車輛動力學響應，建立懸掛參數與動力學響應的近似模型，使得計算效率大大提高；

（3）通過優化前后的懸掛參數對比，發現減小一二系剛度、增加一二系垂向阻尼，有利于提高車輛動力學性能。

[1]張定賢. 機車車輛系統動力學[M]. 北京：中國鐵道出版社，1995.

[2]繆炳榮. SIMPACK 動力學分析基礎教程[M]. 成都：西南交通大學出版社，2008.

[3]可心萌，呂蒙. 市域鐵路軌道車轉向架總體設計與動力學分析[J]. 機械，2017，44（9）：1-4.

[4]劉海清. 安全閥閉式排放系統的動力學分析[J]. 機械，2017，44（6）：23-27.

[5]GB 5599－85，鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范[S].

[6]王福天. 車輛動力學[M]. 北京：中國鐵道出版社，1994.

[7]任尊松. 車輛系統動力學[M]. 北京：中國鐵道出版社，2007.

[8]趙懷瑞. iSIGHT工程優化實例分析[M]. 成都：西南交通大學出版社，2007.

[9]李禮夫，孫利昌. 基于動摩擦系數的微型車離合器起步接合過程動力學仿真[J]. 機電工程，2017（3）：240-244.

Design and Optimization Analysis of Dynamics Model of Railway Vehicle

LIU Yongqiang，DAI Huanyun

( State Key Laboratory of Traction Power,South west Jiao tong University, Chengdu 610031, China )

In this paper, the multi-body dynamics software SIMPACK was taken for building dynamics model of railway vehicle. The optimization analysis was conducted with multidisciplinary optimization software. Vehicle suspension parameters were calculated with SIMPACK under different vehicle dynamics performance, including safety, stability, comfort and other indicators. Derailment coefficient, overturning coefficient and wheel-rail was used to evaluate the operation safety of the vehicle. Normalized multi-objective optimization method was used to evaluate dynamics integrated performance of the vehicle. After optimization, the vehicle dynamics performance has increased by more than 30%. Every dynamic indicator has been improved to various degrees.

railway vehicle；dynamics；model design；reliability

U270.2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.001

1006－0316 (2018) 12－0001－03

2018－05－30

國家重點研發計劃資助（2016YFB1200501）；牽引動力國家重點實驗室研究項目（2015TPL_Z03）

劉永強（1994－），男，河南漯河人，碩士，主要研究方向為車輛系統動力學和車輛－軌道耦合動力學；戴煥云（1966－），男，河北赤城人，博士、博導，研究員，主要研究方向為車輛系統動力學（軌道交通方向）。