UM模拟火车(2)：3D车辆与1D列车耦合建模仿真技术及应用实例

关键词：车辆动力学、列车动力学、3D和1D耦合、脱轨分析、列车模拟器

UM模块：UM Base, UM Subsystem, UM Loco, UM Train, UM Train 3D, UM COM

计算机辅助工程（Computer-Aided Engineering）技术广泛应用与轨道车辆的设计和研发阶段。多体动力学（Multi-Body Dynamics）软件在其中扮演了重要的角色，可用于线性化模态分析，非线性临界速度计算，曲线通过性能预测，运行平稳性和乘坐舒适度评估等。

采用多体动力学方法建立的轨道车辆/列车模型可分为三种。

第一种：全三维模型，机车、客车或货车由若干个刚体或弹性体及悬挂元件组成，总自由度可能成百上千，可以考虑复杂的轮轨接触关系。这种精细模型最适合单车或多车工况仿真，可获得全面的动力学性能计算结果（轮轨蠕滑率、蠕滑力、磨耗功率、脱轨系数、轮重减载率等），但一般不用于大规模工况，如长大编组的货车。

第二种：全一维模型，机车、客车或货车都简化为一个质点模型，每节车只有一个自由度，五百节车对应五百个自由度。对于几万吨的长大编组货车，可轻松驾驭，主要用于牵引和制动工况的纵向动力学仿真，可获得车钩力、制动力、闸瓦力等。前一篇文章介绍的案例就是用的这种模型。

第三种：三维和一维耦合模型，即在一维列车模型中加入若干节三维车辆模型。这种模型整合了前面两种模型的优点，更利于实际应用。

图1-2所示的三维货车包含了三维的车钩模型，一端用于连接一维车辆，另一端用于连接三维车辆。

图1 使用自动车钩的罐车模型

图2 使用链式车钩的敞车模型

2007年2月，在俄罗斯发生一起重联列车脱轨事故。前车是两节VL80机车牵引66节重车，后车是一节VL80机车牵引65节重车。当时重联列车运行于520米半径曲线轨道，前车紧急制动，而后车由于出现故障只能进行常用制动。最终导致前车尾部的几节车辆发生脱轨。

根据俄铁提供的数据，基于自己开发的UM软件，Dmitry Pogorelov教授建立了两车重联的动力学模型。其中位于前车尾部的三节车辆为三维模型，其余为一维模型，三维车之间用三维钩缓模型，一维车之间用一维钩缓模型，如图3所示。

图3 三维车辆与一维列车耦合模型

仿真工况按照事发当时的状况进行设置，即：前车紧急制动，后车常用制动。

图4 列车空气制动系统

图5-7是前车第65节车的动力学响应：纵向车钩力、轮轨横向力、安全系数(1/Nadal)。

图5 车钩力

图6 轮轨横向力

图7 安全系数（俄）

从计算结果来看，轮轨横向力并没有超过俄铁标准规定的限值130kN，安全系数也未达到爬轨脱轨的临界值1.0，但纵向车钩力非常大。因此，Dmitry Pogorelov教授认为，前后车不同步的制动操作产生过大的纵向力使得车钩断裂而导致车辆脱轨。

数年前，土耳其铁道部启动了一个名为TRENSIM的火车模拟器项目，目的是用于火车司机驾驶培训和考试。该项目由土耳其共和国科学技术研究理事会和Dmitry Pogorelov教授带领的UM计算力学实验室合作完成。截止去年，已有270多名火车司机通过这个火车模拟器获得了驾驶执照。

图8 土耳其TRENSIM 列车模拟器

TRENSIM模拟器实现了软件和硬件信息实时交互，其动力学计算部分由UM软件完成。为实现实时仿真，列车模型采用了1节三维机车+多节一维车辆的混合模型，以减少自由度；同时采用多核并行计算技术进行求解，以提高计算效率。

图9 Fork-Join 并行算法

他们在实际线路上做了很多工况的测试，用于验证和修正动力学模型，部分结果对比如图10所示。

图10 仿真与试验结果对比

原文刊发于2017年的《Vehicle System Dynamics》。

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