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原文传递基于ANSYS二次开发的轮轨耦合系统动力仿真平台研究

论文题名：	基于ANSYS二次开发的轮轨耦合系统动力仿真平台研究
关键词：	高速列车;轮轨耦合系统;振动特性;仿真平台;软件开发
摘要：	高速列车在行驶过程中会导致轨道结构动应力增加，这反过来加剧了车体振动。针对车辆-轨道相互作用这一问题，国内外学者通常采用不同编程语言编程或联合多体动力学软件和有限元软件的方法，在车辆-轨道耦合系统动力学这一领域进行大量的研究。这些方法的计算效率比较高且能够精确仿真车辆模型，但建模严重依赖系统构型，对于不同的轨道结构型式，动力学方程需要重新推导，程序编制难度较大，复杂的轮轨接触关系不易考虑；联合仿真需运用不同软件，软件之间接口的建立难度较大，模型建立较为复杂且存在一定计算误差。因此，需要开展车辆-轨道相互作用计算方法的研究，并借助具有广泛适用性的轮轨相互作用计算方法，研发轮轨耦合系统动力学领域的仿真平台，探索系统各结构参数影响下的车辆-轨道垂向耦合系统动力响应特征，为轨道结构设计的研究提供参考。　　本文基于ANSYS的二次开发技术，采用一种具有广泛适用性的轮轨相互作用计算方法，研究车辆-轨道耦合动力学，并构建轮轨耦合系统动力仿真平台分析车辆-轨道耦合系统振动特性，主要研究工作如下：　　（1）回溯车辆-轨道耦合动力学的发展，总结了研究车辆-轨道相互作用的方法。这些方法建模及计算方法严重依赖系统构型，对于不同的轨道结构形式，动力学方程需要重新推导，程序编制难度较大，模型建立较为复杂并存在一定误差，亟需一种具有广泛适用性的方法研究轮轨耦合相互作用。引出ANSYS的参数化设计语言APDL，并通过使用“*ASK”命令、对话框、宏和加密宏、状态条和宏里拾取操作等方法实现了APDL的二次开发功能。　　（2）基于ANSYS的二次开发技术，提出了一种具有广泛适用性的轮轨相互作用计算方法。在该计算方法中，基于多体动力学理论建立车辆模型，采用显式积分求解，通过APDL语言将其编程到ANSYS中，然后轨道部分采用有限元理论仿真，并采用隐式积分法对其求解，最后基于非线性Hertz接触理论，在ANSYS计算平台上编程实现了车辆系统和轨道系统的耦合。基于所采用的轮轨相互作用计算方法，能够建立不同轨下结构，方便地实现轨道及轨下结构与车辆系统的耦合。　　（3）以提出的轮轨相互作用计算方法为基础，采用参数化语言APDL编写的以txt文件形式保存的命令流文件，利用C#编程技术编程读写txt命令流文件的代码，并设计相应的界面，用以实现APDL文件的读写、模型参数的初始化和参数的修改，然后利用ANSYS的Batch（批处理技术）调用生成的命令流文件，通过读取所编写的APDL文件实现自动化快速建模、模型的加载计算和动力响应数据的输出，最后借助C#数据流技术建立Excel接口，用以分析ANSYS输出的相应数据文件，形成集参数输入、模型建立、加载计算和计算数据输出自动化于一体的轮轨系统动力仿真计算平台。通过与采用交叉迭代算法得到的系统振动响应对比发现，车体垂向位移和车体垂向加速度仅在初始位置有所差异，而钢轨位移和轮轨垂向力曲线基本吻合，验证了所构建的轮轨耦合系统动力仿真平台的通用性和其建立的车辆-轨道垂向耦合模型的可靠性，借助构建的仿真平台可实现对不同耦合系统的仿真和各结构参数变化下的耦合系统动力响应分析。　　（4）基于所构建的轮轨耦合系统动力仿真平台，选取车辆系统和轨道系统各结构参数，建立车辆-轨道垂向耦合模型，并对其振动响应进行分析，然后利用所构建的轮轨耦合系统动力仿真平台，分析了车辆悬挂参数、扣件刚度和阻尼、CA砂浆刚度和阻尼等参数对耦合系统振动特性的影响。总结各参数对系统振动特性的影响规律，应综合考虑一系悬挂刚度和阻尼值，降低转向架和车体垂向加速度，减小车体与转向架的共振；适当降低二系悬挂的刚度和阻尼值，可降低车体和转向架的垂向振动，提高对轨下结构振动的抑制作用；选择合理的扣件阻尼，以期最大程度地延长轨道板及其下部结构的使用寿命；CA砂浆的刚度值不宜过大，应尽量选择阻尼大的CA砂浆垫层，降低轨道板及其下部结构的振动响应，延长轨道结构的使用寿命。
作者：	孟宪金
专业：	道路与铁道工程
导师：	刘林芽
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华东交通大学
学位年度：	2021