專利名稱：列車與線路系統(tǒng)動態(tài)性能綜合仿真方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種列車與線路系統(tǒng)動態(tài)性能綜合仿真方法。
背景技術：
機車車輛在軌道上行使，是一個移動質量系統(tǒng)與一個無限長連續(xù)支承結構之間動態(tài)相互作用的過程。由于線路不平順、車輪與鋼軌表面幾何缺陷等原因，使輪軌之間產(chǎn)生相互動作用力。此力向上傳遞給機車車輛，向下傳遞給軌道結構，引起各自的振動，而這些振動又相互耦合，構成了機車車輛與軌道的耦合系統(tǒng)。正是這種復雜的關系，使得列車在線路上的動力學運行系統(tǒng)具有多自由度、強非線性等特點，導致系統(tǒng)非常復雜。
列車與線路動態(tài)耦合系統(tǒng)，不但在動力學過程中是一個復雜的系統(tǒng)，而且在幾何結構上也是一個復雜的系統(tǒng)。單就機車車輛-軌道耦合動力學數(shù)學模型考慮的簡化幾何結構來看，每列車包括輪對、轉向架、車體等；軌道系統(tǒng)包括鋼軌、軌枕、離散道床塊、扣件和膠墊等。
列車在線路上行駛的動態(tài)性能的好壞是直接影響列車運行質量(包括安全可靠、快速便捷、高效節(jié)能、平穩(wěn)舒適等)。因此，需要應用仿真模擬的方法對機車車輛整車動態(tài)性能進行研究與分析，以便于實現(xiàn)列車與線路的無風險動力學嘗試試驗，加快機車車輛與線路的研制、開發(fā)與改進。
在現(xiàn)有的機車車輛-軌道耦合動力學仿真中，大多集中在模型的數(shù)值仿真上，多以模塊的形式出現(xiàn)，系統(tǒng)的集成性和綜合性較差。而其中的求解模塊相當于一個系統(tǒng)求解器，模塊本身不具備綜合處理與系統(tǒng)求解相關的功能，對人工和第三方軟件的依賴性很強，這種模塊只有專業(yè)人員才能有效利用，不具有通用性。并且現(xiàn)有的仿真方法不是通過三維場景立體顯示，其可視化程度低，不直觀。因此，研究一個直觀的且能綜合模擬列車與線路動態(tài)性能仿真的計算機軟硬件平臺，既有重要的理論價值，也具有很大的實際意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是提供一種列車與線路系統(tǒng)動態(tài)性能綜合仿真方法，該方法能綜合模擬列車在線路上行駛的各種動態(tài)性能，集成性好；并能將列車及線路的動態(tài)狀態(tài)在三維場景中進行可視化顯示，直觀、形象，使用簡單方便。
本發(fā)明解決其技術問題，所采用的技術方案是一種列車與線路系統(tǒng)動態(tài)性能綜合仿真方法，其步驟是a、從三維列車和線路模型庫中獲取選定的列車和線路數(shù)據(jù)，使用車輛-軌道耦合系統(tǒng)動力學計算方法，按設定的速度算出列車各構件及受列車振動影響的線路各構件的時間-振動位移數(shù)據(jù)、時間-振動速度數(shù)據(jù)及時間-振動加速度數(shù)據(jù)，并存儲于動態(tài)數(shù)據(jù)庫中；或者算出列車各構件及受列車振動影響的線路各構件當前時刻的振動位移數(shù)據(jù)、當前時刻的振動速度數(shù)據(jù)及當前時刻的振動加速度數(shù)據(jù)；b、初始化三維仿真場景，并在其中配置光源，從三維列車或線路模型庫中獲取列車和線路各構件模型；c、從三維列車和線路模型庫中獲取選定的列車各構件和線路各構件間的相對結構數(shù)據(jù)，再根據(jù)設定的速度和時間間隔，計算出列車各構件在線路上行駛的距離；并根據(jù)列車各構件在線路上行駛的距離，將各時刻列車各構件所在線路中心線的兩相鄰控制點間進行插值，即得出各時刻列車各構件在大地坐標系中的空間平衡位置；同時將當前時刻受列車振動影響的線路各構件，按其所在線路中心線的兩相鄰控制點間進行插值，得出當前時刻的線路各構件在大地坐標系中的空間平衡位置；d、將列車與線路各構件當前時刻的空間平衡位置與其相應的振動位移數(shù)據(jù)疊加，得出各構件的顯示空間位置；在三維場景中，按各構件的顯示空間位置，將其顯示出來，即實現(xiàn)了列車與線路系統(tǒng)振動行為的可視化模擬。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是采用面向對象的設計方法，可以對數(shù)據(jù)庫中列車及線路數(shù)據(jù)進行任意選擇，在保持求解器模塊相對獨立的情況下，基于車輛-軌道耦合動力學理論體系，引入可視化和三維建模技術，將列車與線路各構件幾何模型之間的幾何約束關系、幾何模型和計算模塊間的相互對應關系，一并裝配起來，并在三維場景中對各構件進行精確的動態(tài)顯示。可以對客車、貨車及各種軸式機車中的任意一種列車在任何一種線路上的運行狀態(tài)進行仿真，更為真實完整地模擬出列車的運動穩(wěn)定性、運行平穩(wěn)性、曲線通過性能等運行狀態(tài)，實時直觀地觀察各種列車及其構件在各種線路上的運行狀態(tài)及其振動行為過程。如可以直觀的顯示三維動態(tài)輪軌接觸狀態(tài)，如兩點接觸狀態(tài)、脫軌狀態(tài)；可以直觀的顯示三維曲線線路的平縱斷面設置及其各構件的動態(tài)空間運動。從而為機車車輛系統(tǒng)及軌道結構關鍵動力學參數(shù)及線路平縱斷面的優(yōu)化設計，列車與線路的研制、開發(fā)與改進提供了統(tǒng)一、直觀、完整的動態(tài)性能仿真依據(jù)。特別是為高速、重載現(xiàn)代化鐵路系統(tǒng)的最佳管理提供了理論分析工具，具有很強的工程應用價值。
上述的三維列車和線路模型庫中的列車與線路模型包括已有的主型機車、車輛模型和典型線路模型，還可以包括新設計的列車或新設計的線路模型。
這樣本發(fā)明的方法既可以對已有的主型機車、車輛和典型線路的狀態(tài)進行動態(tài)仿真模擬，同時也能對新開發(fā)的新型機車、車輛和新修建的鐵路進行列車運行狀態(tài)的模擬，使得本發(fā)明成開放的仿真系統(tǒng)，能對各種車輛和線路進行任意組合的動態(tài)仿真模擬。
上述的a步中使用車輛-軌道耦合系統(tǒng)動力學計算方法，按設定的速度，算出并存儲于動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，還包括每一時刻的輪軌垂向、橫向力、輪重減載率、傾覆系數(shù)、脫軌系數(shù)等安全性指標，車體垂向、橫向平穩(wěn)性指標、車體垂向、橫向加速度指標；在三維場景中顯示各構件的同時，用相同的顯示設備的不同顯示區(qū)域或不同的顯示設備同步顯示這些指標。
這樣在仿真顯示三維列車動態(tài)運行過程的同時，還通過各種指標顯示單元，可以實時查看二維顯示的列車安全性、平穩(wěn)性、舒適性相關指標的時間變化歷程。使科學計算結果可視化與列車線路運行系統(tǒng)三維視景可視化完善地結合，同步顯示。并且動態(tài)數(shù)據(jù)庫存貯的仿真結果也可以方便地進行后處理。為列車及線路的研制、開發(fā)與改進，提供了更多的直觀、完整、全面的力學性能指標仿真依據(jù)。
下面結合具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
具體實施例方式
實施例一本發(fā)明的第一種具體實施方式
，包括如下步驟a、從三維列車和線路模型庫中獲取選定的列車和線路數(shù)據(jù)，使用車輛-軌道耦合系統(tǒng)動力學計算方法，按設定的速度算出列車各構件及受列車振動影響的線路各構件的時間-振動位移數(shù)據(jù)、時間-振動速度數(shù)據(jù)及時間-振動加速度數(shù)據(jù)，并存儲于動態(tài)數(shù)據(jù)庫中；b、初始化三維仿真場景，并在其中配置光源，從三維列車或線路模型庫中獲取列車和線路各構件模型；c、從三維列車和線路模型庫中獲取選定的列車各構件和線路各構件間的相對結構數(shù)據(jù)，再根據(jù)設定的速度和時間間隔，計算出列車各構件在線路上行駛的距離；并根據(jù)列車各構件在線路上行駛的距離，將各時刻列車各構件所在線路中心線的兩相鄰控制點間進行插值，即得出各時刻列車各構件在大地坐標系中的空間平衡位置；同時將當前時刻受列車振動影響的線路各構件，按其所在線路中心線的兩相鄰控制點間進行插值，得出當前時刻的線路各構件在大地坐標系中的空間平衡位置；d、將列車與線路各構件當前時刻的空間平衡位置與其相應的振動位移數(shù)據(jù)疊加，得出各構件的顯示空間位置；在三維場景中，按各構件的顯示空間位置，將其顯示出來，即實現(xiàn)了列車與線路系統(tǒng)振動行為的可視化模擬。
本例的三維列車和線路模型庫中的列車與線路模型既可以是已有的主型機車、車輛模型和典型線路模型，也可以是新設計的列車或新設計的線路模型。
本例的a步中使用車輛-軌道耦合系統(tǒng)動力學計算方法，按設定的速度，算出并存儲于動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，還包括每一時刻的輪軌垂向、橫向力、輪重減載率、傾覆系數(shù)、脫軌系數(shù)等安全性指標，車體垂向、橫向平穩(wěn)性指標、車體垂向、橫向加速度指標；在三維場景中顯示各構件的同時，用相同的顯示設備的不同顯示區(qū)域或不同的顯示設備同步顯示這些指標。
實施例二本例與實施一的步驟基本相同，不同的僅僅是a步中，從三維列車和線路模型庫中獲取選定的列車和線路數(shù)據(jù)，使用車輛-軌道耦合系統(tǒng)動力學計算方法，按設定的速度計算出的是當前時刻的列車各構件及受列車振動影響的線路各構件振動位移數(shù)據(jù)、振動速度數(shù)據(jù)及振動加速度數(shù)據(jù)，并存儲于動態(tài)數(shù)據(jù)庫中。
與實施例一相比，本例不是計算并存儲各時刻，而是僅僅計算當前時刻列車及線路各構件的相關振動數(shù)據(jù)，邊計算邊顯示，對存儲設備要求更低，但對計算設備(CPU)的性能要求更高。
本發(fā)明在顯示時，所使用的顯示器可以是投影儀，在投影儀的主顯示區(qū)域上顯示列車動態(tài)運行過程，在投影儀上另有多個小塊顯示區(qū)域，分別顯示相應時刻的輪軌垂向、橫向力、輪重減載率、傾覆系數(shù)、脫軌系數(shù)等安全性指標，車體垂向、橫向平穩(wěn)性指標、車體垂向、橫向加速度指標。或者將這些指標通過另外的CRT顯示器進行顯示。
本發(fā)明的三維列車模型其中機車車輛模型數(shù)據(jù)中包括的構件有車體、轉向架、輪對、一二系懸掛系統(tǒng)；線路各構件包括鋼軌、軌枕。進行顯示時也是將這些構件進行裝配顯示，而非將列車及線路作為不可拆分的整體進行顯示，從而顯示出的列車及線路動態(tài)狀態(tài)更為復雜而真實。
本發(fā)明的受列車振動影響的線路各構件是列車下方及距離列車前、后位輪對一定距離范圍內的各構件，該前、后距離通常為50米，對輕型低速列車該距離可以適當變小，而重載、高速列車該距離可以適當放大。
權利要求
1.一種列車與線路系統(tǒng)動態(tài)性能綜合仿真方法，其步驟是a、從三維列車和線路模型庫中獲取選定的列車和線路數(shù)據(jù)，使用車輛-軌道耦合系統(tǒng)動力學計算方法，按設定的速度算出列車各構件及受列車振動影響的線路各構件的時間-振動位移數(shù)據(jù)、時間-振動速度數(shù)據(jù)及時間-振動加速度數(shù)據(jù)，并存儲于動態(tài)數(shù)據(jù)庫中；或者算出列車各構件及受列車振動影響的線路各構件當前時刻的振動位移數(shù)據(jù)、當前時刻的振動速度數(shù)據(jù)及當前時刻的振動加速度數(shù)據(jù)；b、初始化三維仿真場景，并在其中配置光源，從三維列車或線路模型庫中獲取列車和線路各構件模型；c、從三維列車和線路模型庫中獲取選定的列車各構件和線路各構件間的相對結構數(shù)據(jù)，再根據(jù)設定的速度和時間間隔，計算出列車各構件在線路上行駛的距離；并根據(jù)列車各構件在線路上行駛的距離，將各時刻列車各構件所在線路中心線的兩相鄰控制點間進行插值，即得出各時刻列車各構件在大地坐標系中的空間平衡位置；同時將當前時刻受列車振動影響的線路各構件，按其所在線路中心線的兩相鄰控制點間進行插值，得出當前時刻的線路各構件在大地坐標系中的空間平衡位置；d、將列車與線路各構件當前時刻的空間平衡位置與其相應的振動位移數(shù)據(jù)疊加，得出各構件的顯示空間位置；在三維場景中，按各構件的顯示空間位置，將其顯示出來，即實現(xiàn)了列車與線路系統(tǒng)振動行為的可視化模擬。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種列車與線路系統(tǒng)動態(tài)性能綜合仿真方法，其特征在于，所述的三維列車和線路模型庫中的列車與線路模型包括已有的主型機車、車輛模型和典型線路模型，還可以包括新設計的列車或新設計的線路模型。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種列車與線路系統(tǒng)動態(tài)性能綜合仿真方法，其特征在于，所述的a步中使用車輛-軌道耦合系統(tǒng)動力學計算方法，按設定的速度算出并存儲于動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，還包括每一時刻的輪軌垂向、橫向力、輪重減載率、傾覆系數(shù)、脫軌系數(shù)等安全性指標，車體垂向、橫向平穩(wěn)性指標、車體垂向、橫向加速度指標；在三維場景中顯示各構件的同時，用不同的顯示設備或相同的顯示設備的不同顯示區(qū)域同步顯示這些指標。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種列車與線路系統(tǒng)動態(tài)性能綜合仿真方法和裝置，基于車輛—軌道耦合動力學理論體系，利用計算機可視化技術，綜合模擬列車在線路上行駛的運動穩(wěn)定性、運行平穩(wěn)性、曲線通過性能等各種動態(tài)性能；集成性好，可以對客車、貨車及各種軸式機車中的任意一種列車在任何一種線路上的運行狀態(tài)進行仿真；并能將列車及線路的動態(tài)狀態(tài)在三維場景中進行可視化顯示，便于實時直觀地觀察各種列車及其構件在各種線路上的運行狀態(tài)及其振動行為過程，使用簡單方便。為列車與線路的研制、開發(fā)與改進提供了統(tǒng)一、直觀、完整的動態(tài)性能仿真依據(jù)。
文檔編號G06G7/70GK101021892SQ200710048528
公開日2007年8月22日 申請日期2007年2月26日 優(yōu)先權日2007年2月26日
發(fā)明者翟婉明, 楊吉忠, 趙春發(fā), 王開云, 蔡成標 申請人:西南交通大學