货车多体模型及其实时仿真程序

作者:M.Spiryagin;王恩洁;蒋奎 刊名:国外铁道车辆 上传者:颛锡良

【摘要】讨论了在实时半实物仿真中如何将货车整车模型转化为合适的简化模型的方法,从轮轨垂向力和车辆临界速度的角度,对实时模型进行了验证。本文所给出的方法可大大缩短计算时间,适用于实时模型的创建。

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1概述铁道车辆在设计阶段通常在实验室内利用试验台对车辆不同部件的动态性能进行详细分析。位于澳大利亚中央昆士兰大学铁路工程中心(CRE)实验室的全尺寸铁道车辆试验台[1]就非常适合于研究货车悬挂系统的动力学性能。实时仿真对设计阶段的任何过程都是有帮助的,借助于实时仿真,可以在全尺寸模型试验之前对该过程中的控制器/作动器进行测试[2]。图1为一个处于设计阶段的实时货车模型。位于实验室内试验台的硬件部分通常装有力/力矩作动器[3],实体系统则借助于专业的多体仿真软件进行模拟。图1设计阶段实时模型的集成业界已经利用Matlab/Simulink[4-5]和Gensys多体仿真软件[6]开发出一些铁道车辆实时模型。Matlab模型本身具有难以改变参数的固有问题,这可以通过采用铁道车辆多体仿真软件如Gensys进行简化[7]。在实时仿真中,仿真器利用离散时间步长求解模型方程[2]。因此,有必要选择合适的时间步长,以便正确地表达系统的频率。在一个典型的时间步长内,仿真器执行下述一组任务:(1)读取输入,生成输出;(2)求解模型方程;(3)与其他仿真节点交换结果;(4)等待下一步的开始。本文利用1个典型的三大件式转向架货车模型(图2),通过合理地简化一些参数如轨道和接触模型,摩擦单元、车钩和质量等,探讨缩短计算时间的可能性。图2实时模型2研究方法在对输出结果没有明显影响的前提下,通过减少模型不同部件的自由度,探讨了缩短计算时间的可行性。完整的货车模型(FWM)以及修改后的实时模型见2.1节和2.2节。所有的货车模型都要通过由文献[8]所提出的货车模型验收程序(WMAP)的验收。为简便起见,本文仅第一阶段的测试按照WMAP执行,一些测试的结果实例见图3和图4。图3实时模型接触斑的车轮垂向力的数值积分稳定性校核图4整车模型和实时货车模型的临界速度(以上图例中的数字分别表示货车、转向架和轮对的位置,例如:axl_121表示货车1中第2台转向架的第1条轮对,其他以此类推(包括图3,图3中的r表示右轮))计算时间借助于多体软件Gensys内的一个特殊程序确定,总的计算时间由式(1)确定。ttout=tlsys+tcoupl+tfunc+tmass+tconstr+tinteg+tds(1)式(1)中:tlsys相对于整体坐标系,定义局部坐标系中的位置所用的计算时间;tcoupl用于连接单元指令的计算时间(连接单元是指将各质量块连接起来的各种单元);tfunc模型脚本中所定义的函数计算所需的计算时间;tmass用于质量指令的计算时间(一个质量指令在模型中创建一个惯量,例如车体、转向架、轮对等);tconstr用于约束指令的计算时间;tinteg数值积分计算所需要的计算时间;tds存储输出数据所需要的计算时间。2.1整车模型说明本文所考虑的典型三大件转向架货车自重16t,总重80t,车辆定距14m。整车模型由1个车体、2个转向架构架、2个摇枕、4个侧架和4条轮对组成。各实体都被假设为6个自由度的刚体,表1给出了三大件转向架货车的质量和惯性矩参数。轮轨之间的摩擦系数取0.4。轮轨踏面外形分别采用ENS1002t32.5轮和UIC60i40轨。限于篇幅,本文只介绍空车在理想平直线路上的仿真结果。表1货车参数部件质量/kg质量惯性矩/(kgm2)mIxxIyyIzz车体空车77356033.3186516.63192085.83转向架轮对800450100450侧架80043565522摇枕1000347433632.2实时半实物仿真整车模型的修正为了获取适合实时应用的模型,整车模

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