200km/h动车组动力学性能的仿真研究

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摘要：本文是中国铁道科学研究院（CARS）和日本铁道综合技术研究所（RTRI）进行200km/h动车组动力学仿真的合作研究工作。CARS采用MSC.ADAMS和NUCARS通用程序，RTRI采用自行研发的程序。仿真计算的车辆结构参数由CARS根据实际应用情况提出，采用实际测量的线路不平顺数据。通过仿真计算和北京环形试验线的动力学性能检测试验，检查确认单车动力学模型，讨论不同仿真模型和不同解析方法对于车辆动力学仿真结果的影响。基于ADAM/Rail模板产品建模技术，建立6车动力学模型，并在车辆之间设置纵向减振器。应用批处理方法对多车模型进行计算分析，研究纵向减振器对200km/h动车组动力学性能的影响。研究认为, 纵向减振器可以改善200km/h动车组的横向动力学性能。
关键词：200km/h动车组 动力学模型 数值仿真 车间减振器

1 前言

目前,车辆系统动力学的仿真计算大多采用单车模型。实际上，铁道车辆是以列车编组方式运行的，而且高速列车的车辆间越来越多的安装各种减振连接装置。因此，建立可靠实用的多车模型是当前铁道车辆系统动力学仿真研究的重要工作。

中国铁道科学研究院（CARS）和日本铁道综合技术研究所（RTRI）在1999-2003年期间进行“高速车辆运行仿真”的合作研究，中国浦镇车辆厂和唐山车辆厂参加了该项目的工作。在合作研究中， CARS和RTRI对建立车辆系统动力学仿真模型的基本理论和建模方法进行了充分交流和讨论。在确认单车动力学模型的基础上，CARS采用MSC.ADAMS和NUCARS程序，RTRI采用自行研发的程序，以200km/h客车转向架的实际运用为目的，采用完全相同的车辆参数和实测的线路几何不平顺数据，各自完成了6辆车的多车模型动力学仿真计算。

2002年12月在北京环形道进行了浦镇车辆厂研制的装有CARS200转向架双层客车的动力学试验。CARS和RITI项目合作成员均参加了这次环行道的实验。根据样机的实际结构数据和实测的北京环形线线路数据，2003年CARS和RITI再次分别进行仿真计算，并与试验结果进行比较分析。

2 车辆和轨道模型

仿真计算模型以200km/h拖车转向架为实例（以下简称为CARS200）。该转向架装有抗侧滚扭杆、带阻尼孔的空气弹簧、无摇枕形式。计算采用中国铁路的LMa车轮踏面，T60轨道。线路几何不平顺来自铁科院北京环行试验线实测数据。 轮轨磨擦系数0.35。

表1 CARS200主要部件的质量、惯量和重心高

图1 CARS200转向架CAD模型

图2 CARS200的车轮和钢轨的CAD模型

图3 CARS200的车轮踏面(LMa)

图4 T60轨面外形

图5 CARS200的MSC.ADAMS/Rail模板模型

表2 RTRI建议的轨道结构力学参数

图6 CARS200单车装配模型

图7 环形试验线轨道不平顺的测试值(2002-12)

3 单车模型主要计算结果

CARS和RTRI对速度160km/h和240km/h的计算结果进行了比较。双方计算的车体加速度、轮轨力、脱轨系数基本一致，个别振动波形和细部存在差异。2002年12月，CARS200在北京环行试验线进行了一次动力学性能试验。试验后，CARS和RTRI分别重新进行动力学仿真计算，并将计算结果和试验结果进行了比较。

图8 轮轨横向力的试验结果

图9 轮轨横向力的计算结果

图10 车体横向加速度PSD的计算与试验结果的比较

图11 车体垂向加速度PSD的计算与试验结果的比较

表3 车体加速度的RMS和ST

表4 轮/轨横向力的RMS

4、建立多车模型的基本方法

4.1多车模型的车体模板

MSC.ADAMS/Rail是一个基于模板产品的动力学仿真软件包，采用模板产品生成子系统，用子系统装配系统模型的方式。这种模型创建方式有利于用标准的转向架和车体模板自动生成和建立列车系统动力学模型。但是，由于种种原因，应用MSC.ADAMS/Rail进行多车计算的研究工作进展缓慢。

MSC.ADAMS/Rail建立多车模型有多种方法和途径。遵循MSC.ADAMS设计的模板产品思路是一条捷径。

列车是通过车体挂接的，正确创建多车模型的车体模板是建立多车模型的关键。用户需要准确理解和应用MSC.ADAMS/Rail的连接器 （Communicator）和车辆序号（WAGON ORDER）两个重要概念。

连接器用于不同子系统之间的信息交换和传递。使多个子系统能按照预定的连接顺序和相互作用关系，集成为用户设计的大系统模型。

连接器有输入连接器（Input communicators）和输出连接器（Output communicators）两种类型。输入连接器用于从其他子系统获取信息。输出连接器用于向其他子系统提供信息。

为了建立多车模型，首先在MSC.ADAMS/Rail模板建立器中创建头车、中间车和尾车三个车体模板:
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● 头车的车体模板上设置输入连接器，接入后续车辆信息。
● 中间车的车体模板上同时设置输入和输出连接器。其中输出连接器为挂接前车提供信息，输入连接器为接入后车提供信息。
● 尾车的车体模板上设置输出连接器，为挂接前车提供信息。

图12 车辆序号和车间连接器的示意图

4.2多车模型的子系统

利用头车、中间车和尾车三个车体模板，可以在MSC.ADAMS/Rail标准界面创建多车模型的子系统。
生成多车模型的子系统时，需要按车辆从前到后的顺序，为每一辆车指定车辆序号。MSC.ADAMS/Rail通过车辆序号安排车辆的几何位置，寻找前后的连接关系，装配多车系统模型。

每辆车的初始里程坐标在生成子系统时指定。表12.2是CARS和RTRI用于6车计算模型的数据。

表5 6车模型的车辆序号和初始坐标 ( 单位:m )

4.3 设置MSC.ADAMS内存参数，装配多车模型

在多车模型子系统基础上进行系统装配前，还要检测MSC.ADAMS环境参数，对内存模式进行重新设置。MSC.ADAMS提供了几种标准的内存模式供用户选择。

对于规模较大的多车模型，应该选用用户自定义内存模式usedefined。具体步骤如下：

（1） 点击 ，选“程序”—“MSC.Software” —“MSC.ADAMS2003” —“MSC.Settings”，屏幕出现MSC.ADAMS设置对话框(图13)。
（2） 根据模型需要，将“Memory Model(view)”和“Memory Model(solver)”设置为usedefined。
（3） 启动MS Visual Studio, 选“Open Workspace”
（4） 打开目标文件 C：\Program Files\MSC.ADAMS2003\win32\uconfg_user\uconfg.dsw
（5） 编辑文件uconfg.f，根据需要调整内存参数。
（6） 按F7，编译并生成ucongf.dll。

这样，完成用户自定义内存参数的设置。通常需要反复调试几次，得到合适的内存设置参数，保证多车模型的装配和计算分析能够顺利进行。

图13 MSC.ADAM Graphics/Memory Settings对话框

表6 MSC.ADAMS提供的标准内存模式

表7 MSC.ADAMS内存模式的参数

图14 完成装配的6车动力学模型

4.4 用批处理方式进行多车模型的仿真计算

用MSC.ADAMS/Rail进行多车动力学仿真计算，计算时间较长，输出数据量巨大。为有效进行分析，可以采用MSC.ADAMS批处理方式（Batch Mode），并严格控制输出选项。

为了执行批处理方式，首先需要“submitting analysis”中选"Files Only" ，这样可以在工作目录下写入指定名称的分析文件，如CARS01_120。MSC.ADAMS/Rail生成如下三个CARS01_120文件：

● CARS01_120.adm - MSC.ADAMS/Solver的模型文件。
● CARS01_120.acf - MSC.ADAMS/Solver的命令文件。
● CARS01_120.nam- MSC.ADAMS/Rail 输出设置模型文件。

如此生成多个分析文件。然后，编辑一个运行多次分析任务的批处理文件，例如multi_run .bat：

在MSDOS 下执行multi_run.bat，MSC.ADAMS在后台运行方式下自动完成上例中的8个分析任务。全部批处理计算任务完成后，可以重新进入MSC.ADAMS/Rail的图形界面，对计算结果后处理。


5 车间纵向减振器对200km/h动车组动力学性能的影响

5.1 在多车模型中设置车间纵向减振器

根据日报新干线高速列车的实际应用情况，CARS和RTRI在合作研究的模型中设置了车辆间纵向减振器，以研究车间减振器对列车动力学性能的影响。根据RTRI的建议，两车间的阻尼矩选为5.12MNms。

图15 在多车模型中设置的车间纵向减振器示意图

5.2 车间纵向减振器对200km/h动车组动力学性能的影响

根据仿真研究结果和日本新干线的实际使用情况，有如下结论：

（1）车间纵向减振器对高速动车组横向动力学性能改进效果在20%左右；
（2）车间纵向减振器对高速动车组纵向动力学性能改进有明显帮助；
（3）车间纵向减振器对高速动车组的轮轨作用无明显影响。

图16 有无车间纵向减振器的车体横向加速度计算结果

图17 车间纵向减振器对车体横向加速度的影响

6 小结

（1）不同机构和程序的仿真计算的比较分析是有启发意义的。欧洲铁道技术研究所（ERRI）曾组织进行过这方面的比较，参加单位有18个之多。CARS和RTRI在合作研究中，通过对双方计算结果的分析比较，可以评价不同仿真模型和不同解析方法对于车辆动力学仿真结果的影响。

（2）MSC.ADAMS/Rail具有良好的多车模型分析计算能力。在理解和掌握MSC.ADAMS模板产品的基本概念和模型装配技巧后，可以应用MSC.ADAMS/Rail进行高速列车动力学仿真计算。

（3）车间纵向减振器可以改善200km/h动车组的纵向和横向动力学性能。合理设计车间纵向减振器对发展高速列车有重要意义。