本發(fā)明屬于機(jī)械工程鋼軌打磨技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種磨損鋼軌打磨目標(biāo)廓形快速設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

高速鐵路鋼軌打磨可以提高車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性與穩(wěn)定性，在鋼軌打磨施工之前，為了保證鋼軌打磨之后獲得最優(yōu)的車輛運(yùn)行性能，通常需要在打磨之前根據(jù)打磨線路鋼軌的損傷情況，對(duì)鋼軌打磨目標(biāo)廓形進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保獲得最佳的輪軌接觸狀態(tài)。但是，由于車輛載荷和工況條件的差異，使得磨損鋼軌的廓形千差萬別，在每次打磨施工前都需要針對(duì)鋼軌的磨損情況，重新設(shè)計(jì)鋼軌打磨目標(biāo)廓形。而當(dāng)前，主要采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法確定鋼軌初始打磨目標(biāo)廓形，然后數(shù)值仿真計(jì)算方法，對(duì)該目標(biāo)廓形下輪軌接觸性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過反復(fù)修正、計(jì)算，直到獲得最優(yōu)的打磨目標(biāo)廓形(馬躍偉,任明法,胡廣輝,等.高速鐵路鋼軌預(yù)打磨型面優(yōu)化分析.機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,48(8):90-97.)。該種設(shè)計(jì)方法存在著計(jì)算量大、計(jì)算周期長(zhǎng)的問題，影響了鋼軌打磨施工效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種針對(duì)磨損鋼軌的打磨目標(biāo)廓形快速設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建基于nurbs可調(diào)權(quán)因子的鋼軌目標(biāo)廓形參數(shù)化模型，建立輪軌接觸性能指標(biāo)關(guān)于可調(diào)權(quán)因子的kriging代理模型，并以此為目標(biāo)函數(shù)，以輪軌接觸性能指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建鋼軌打磨目標(biāo)廓形的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，對(duì)打磨目標(biāo)廓形進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于設(shè)計(jì)模型中目標(biāo)函數(shù)使用了kriging代理模型，不需要使用數(shù)值仿真計(jì)算方法計(jì)算不同打磨目標(biāo)廓形的輪軌接觸性能，避免了數(shù)值仿真計(jì)算導(dǎo)致的計(jì)算成本高、耗時(shí)長(zhǎng)的問題，可顯著提高打磨目標(biāo)廓形的設(shè)計(jì)效率。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種磨損鋼軌打磨目標(biāo)廓形快速設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

(1)使用鋼軌輪廓掃描儀，獲得磨損鋼軌斷面廓形的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)值，將之作為nurbs曲線的型值點(diǎn)，構(gòu)建基于三次nurbs曲線的磨損鋼軌打磨橫斷面廓形曲線參數(shù)化模型；

(2)在有限元軟件中構(gòu)建磨損鋼軌參數(shù)化模型，并建立鋼軌與車輪踏面的輪軌接觸模型，用于分析輪軌接觸應(yīng)力值f；

(3)在動(dòng)力學(xué)分析軟件中建立磨損鋼軌與軌道車輛輪對(duì)接觸的動(dòng)力學(xué)分析模型，分析輪軌動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h，包括輪軌滾動(dòng)圓半徑差λ，輪重減載率j；

(4)利用步驟(2)在有限元軟件中構(gòu)建磨損鋼軌參數(shù)化模型，調(diào)整參數(shù)化變量x，獲得具有不同廓形的鋼軌模型，計(jì)算獲得不同參數(shù)化變量x對(duì)應(yīng)的輪軌接觸應(yīng)力值f；

(5)利用步驟(3)建立的磨損鋼軌與軌道車輛輪對(duì)接觸的動(dòng)力學(xué)分析模型，調(diào)整參數(shù)化變量x，獲得具有不同廓形的鋼軌模型，計(jì)算獲得不同參數(shù)化變量對(duì)應(yīng)的輪軌接觸動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h；

(6)使用步驟(4)和步驟(5)中的參數(shù)化變量x、輪軌接觸應(yīng)力值f和輪軌接觸動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h作為訓(xùn)練樣本，基于matlab軟件dace工具箱，構(gòu)建鋼軌廓形曲線參數(shù)x關(guān)于輪軌接觸應(yīng)力f與動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h的kriging模型；

(7)以輪軌接觸應(yīng)力f，輪軌滾動(dòng)圓半徑差λ和輪重減載率j作為優(yōu)化目標(biāo)，以鋼軌參數(shù)化模型的參數(shù)化變量x為優(yōu)化變量，以構(gòu)建的鋼軌廓形曲線參數(shù)關(guān)于輪軌接觸應(yīng)力f與動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h的kriging模型為目標(biāo)函數(shù)，建立磨損鋼軌的打磨目標(biāo)廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)模型；

(8)使用步驟(7)構(gòu)建的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，獲得優(yōu)化的鋼軌參數(shù)化模型調(diào)整參數(shù)xopt，利用步驟(1)建立的鋼軌的參數(shù)化模型獲得最終的磨損鋼軌打磨目標(biāo)廓形。

所述步驟(1)具體包括以下步驟：

(1.1)以鋼軌軌頂中心為原點(diǎn)，以水平方向?yàn)閤軸，以豎直方向?yàn)閥軸，構(gòu)建鋼軌的全局坐標(biāo)系，在鋼軌廓形曲線上均勻采樣，獲得n個(gè)位于鋼軌廓形曲線的點(diǎn)坐標(biāo)；

(1.2)以測(cè)量獲得的n個(gè)鋼軌廓形曲線點(diǎn)坐標(biāo)為型值點(diǎn)，使用nurbs曲線方程，將nurbs權(quán)因子ω值均設(shè)置為1，構(gòu)建磨損鋼軌的三次nurbs曲線方程；

(1.3)以三次nurbs曲線方程的控制權(quán)因子ω為參數(shù)化變量x，以nurbs權(quán)因子ω原始值(取1)為中心，上、下浮動(dòng)50％，獲得基于可調(diào)整權(quán)因子的磨損鋼軌廓形曲線參數(shù)化模型。

所述步驟(6)具體包括以下步驟：

(6.1)將磨損鋼軌目標(biāo)廓形曲線參數(shù)模型的可調(diào)整權(quán)因子ω作為參數(shù)化變量x，輪軌接觸應(yīng)力f和動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h作為因變量；

(6.2)使用拉丁超立方抽樣方法在設(shè)計(jì)空間中對(duì)可調(diào)整權(quán)因子ω進(jìn)行隨機(jī)抽樣、組合，獲得由具有不同形狀的廓形曲線；

(6.3)應(yīng)用步驟(4)和步驟(5)所述方法，分別計(jì)算不同打磨目標(biāo)廓形對(duì)應(yīng)的輪軌接觸應(yīng)力值f和輪軌動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h；

(6.4)將可調(diào)整權(quán)因子ω和輪軌接觸應(yīng)力值f、動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h組合起來，以此作為訓(xùn)練樣本，應(yīng)用matlab軟件的dace工具箱構(gòu)建輪軌接觸應(yīng)力值f和輪軌動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h的kriging預(yù)測(cè)模型。

所述步驟(7)具體包括以下步驟：

(7.1)將輪軌接觸應(yīng)力值f最小，輪軌滾動(dòng)圓半徑差λ最大，輪重減載率j最小作為三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)；

(7.2)將鋼軌參數(shù)化模型的參數(shù)化變量x(即步驟(6.1)中的可調(diào)整權(quán)因子ω)作為優(yōu)化變量，且ω∈[0,2]；

(7.3)將步驟(6.4)中構(gòu)建的輪軌接觸應(yīng)力值f和輪軌動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h的kriging預(yù)測(cè)模型為目標(biāo)函數(shù)；

(7.4)將輪重減載率j作為約束指標(biāo)，根據(jù)《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(gb5599-85)的規(guī)定，其取值區(qū)間為[0,0.6]，最終獲得磨損鋼軌的打磨目標(biāo)廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。

本發(fā)明的有益效果為：應(yīng)用本發(fā)明方法可以快速、精確的計(jì)算任意磨損鋼軌打磨目標(biāo)廓形，解決了鋼軌打磨施工過程中需要根據(jù)鋼軌磨損情況反復(fù)對(duì)目標(biāo)廓形進(jìn)行仿真分析而導(dǎo)致的計(jì)算量大的問題，提高了鋼軌打磨目標(biāo)廓形設(shè)計(jì)的效率和精度，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明考慮到鋼軌打磨目標(biāo)廓形曲線形狀與輪軌動(dòng)力學(xué)性能之間的復(fù)雜關(guān)系，基于kriging模型構(gòu)建了鋼軌廓形曲線調(diào)整參數(shù)由于輪軌接觸性能指標(biāo)間的近似模型，可以快速、準(zhǔn)確的計(jì)算不同打磨目標(biāo)廓形曲線下的輪軌接觸性能，提高了鋼軌打磨目標(biāo)廓形的設(shè)計(jì)效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的流程圖。

圖2是鋼軌廓形全局坐標(biāo)系。

圖3是輪軌接觸性能kriging模型構(gòu)建方案。

圖4是磨損的60鋼軌廓形。

圖5是基于nurbs曲線的磨損鋼軌廓形參數(shù)化模型。

圖6是輪軌接觸應(yīng)力關(guān)于可變參數(shù)的kriging模型。

圖7是輪對(duì)滾動(dòng)圓半徑差關(guān)于可變參數(shù)的kriging模型。

圖8是計(jì)算獲得的鋼軌打磨目標(biāo)廓形曲線。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚、明晰，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體內(nèi)容作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的具體實(shí)施方式不限于此。

如圖1所示，一種磨損鋼軌打磨目標(biāo)廓形快速設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

1)構(gòu)建如圖2所示的鋼軌廓形全局坐標(biāo)系，使用鋼軌輪廓掃描儀，獲得磨損鋼軌斷面廓形的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)值，將之作為nurbs曲線的型值點(diǎn)，構(gòu)建基于三次nurbs曲線的磨損鋼軌打磨橫斷面廓形曲線參數(shù)化模型；

所述步驟(1)具體包括以下步驟：

(1.1)以鋼軌軌頂中心為原點(diǎn)，以水平方向?yàn)閤軸，以豎直方向?yàn)閥軸，構(gòu)建鋼軌的全局坐標(biāo)系，在鋼軌廓形曲線上均勻采樣，獲得n個(gè)位于鋼軌廓形曲線的點(diǎn)坐標(biāo)；

(1.2)以測(cè)量獲得的n個(gè)鋼軌廓形曲線點(diǎn)坐標(biāo)為型值點(diǎn)，使用nurbs曲線方程，將nurbs權(quán)因子ω值均設(shè)置為1，構(gòu)建磨損鋼軌的三次nurbs曲線方程；

(1.3)以三次nurbs曲線方程的控制權(quán)因子ω為參數(shù)化變量x，以nurbs權(quán)因子ω原始值(取1)為中心，上、下浮動(dòng)50％，獲得基于可調(diào)整權(quán)因子的磨損鋼軌廓形曲線參數(shù)化模型。

(2)在有限元軟件中構(gòu)建磨損鋼軌參數(shù)化模型，并建立鋼軌與車輪踏面的輪軌接觸模型，用于分析輪軌接觸應(yīng)力值f；

(3)在動(dòng)力學(xué)分析軟件中建立磨損鋼軌與軌道車輛輪對(duì)接觸的動(dòng)力學(xué)分析模型，分析輪軌動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h(輪軌滾動(dòng)圓半徑差λ，輪重減載率j)；

(4)利用有限元軟件中的磨損鋼軌參數(shù)化模型，調(diào)整參數(shù)化變量x，獲得具有不同廓形的鋼軌模型，應(yīng)用步驟(2)的有限元方法，計(jì)算獲得不同參數(shù)化變量x對(duì)應(yīng)的輪軌接觸應(yīng)力值f；

(5)在動(dòng)力學(xué)分析軟件中建立磨損鋼軌參數(shù)化模型，調(diào)整參數(shù)化變量x，獲得具有不同廓形的鋼軌模型，應(yīng)用步驟(3)的動(dòng)力學(xué)分析方法，計(jì)算獲得不同參數(shù)化變量x對(duì)應(yīng)的輪軌接觸動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h；

(6)使用步驟(2)和步驟(3)中的參數(shù)化變量x，步驟(2)中的輪軌接觸應(yīng)力值f，步驟(3)中的輪軌接觸動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h，作為訓(xùn)練樣本，基于matlab軟件dace工具箱，構(gòu)建輪軌接觸應(yīng)力f與動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h關(guān)于鋼軌廓形曲線參數(shù)關(guān)于的kriging模型；

輪軌接觸性能kriging模型構(gòu)建方案，包括以下步驟：

(6.1)將磨損鋼軌目標(biāo)廓形曲線參數(shù)模型的可調(diào)整權(quán)因子ω作為參數(shù)化變量x，輪軌接觸應(yīng)力f和動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h作為因變量；

(6.2)使用拉丁超立方抽樣方法在設(shè)計(jì)空間中對(duì)可調(diào)整權(quán)因子ω進(jìn)行隨機(jī)抽樣、組合，獲得由具有不同形狀的廓形曲線；

(6.3)應(yīng)用步驟4)和步驟5)所述方法，分別計(jì)算不同打磨目標(biāo)廓形對(duì)應(yīng)的輪軌接觸應(yīng)力值f和輪軌動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h；

(6.4)將可調(diào)整權(quán)因子ω和輪軌接觸應(yīng)力值f、動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h組合起來，以此作為訓(xùn)練樣本，應(yīng)用matlab軟件的dace工具箱構(gòu)建輪軌接觸應(yīng)力值f和輪軌動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h的kriging預(yù)測(cè)模型，其整體流程如圖3所示；

(7)以輪軌接觸應(yīng)力f，輪軌滾動(dòng)圓半徑差λ和輪重減載率j作為優(yōu)化目標(biāo)，以鋼軌參數(shù)化模型的參數(shù)化變量x為優(yōu)化變量，以構(gòu)建的鋼軌廓形曲線參數(shù)關(guān)于輪軌接觸應(yīng)力f與動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h的kriging模型為目標(biāo)函數(shù)，建立磨損鋼軌的打磨目標(biāo)廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)模型；

磨損鋼軌的打磨目標(biāo)廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)模型建模方案，包括以下步驟：

(7.1)將輪軌接觸應(yīng)力值f最小，輪軌滾動(dòng)圓半徑差λ最大，輪重減載率j最小作為三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)；

(7.2)將鋼軌參數(shù)化模型的參數(shù)化變量x(即步驟(6.1)中的可調(diào)整權(quán)因子ω)作為優(yōu)化變量，且ω∈[0,2]；

(7.3)將步驟(6.4)中構(gòu)建的輪軌接觸應(yīng)力值f和輪軌動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h的kriging預(yù)測(cè)模型為目標(biāo)函數(shù)；

(7.4)將輪重減載率j作為約束域，根據(jù)《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(gb5599-85)的規(guī)定，其取值區(qū)間為[0,0.6]，最終獲得磨損鋼軌的打磨目標(biāo)廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。

(8)使用步驟(7)構(gòu)建的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，獲得優(yōu)化的鋼軌參數(shù)化模型調(diào)整參數(shù)xopt，利用步驟(1)建立的鋼軌的參數(shù)化模型獲得最終的磨損鋼軌打磨目標(biāo)廓形。

下面以某磨損的60鋼軌為對(duì)象，詳細(xì)說明一種磨損鋼軌打磨目標(biāo)廓形快速設(shè)計(jì)方法。

一種磨損鋼軌打磨目標(biāo)廓形快速設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

1)在某段需要打磨的線路上，選擇如圖4所示磨損鋼軌廓形，以軌頂中心為原點(diǎn)，垂直方向?yàn)榭v坐標(biāo)，水平方向?yàn)闄M坐標(biāo)，構(gòu)建鋼軌局部坐標(biāo)系，使用輪軌廓形檢測(cè)儀獲得磨損后鋼軌廓形曲線上點(diǎn)的二維坐標(biāo)值，如表1所示：

表1磨損鋼軌廓形曲線二維坐標(biāo)值

以表1中數(shù)據(jù)為型值點(diǎn)，使用三次nurbs曲線構(gòu)建如圖5所示的磨損鋼軌廓形參數(shù)化模型(假設(shè)需要調(diào)整的目標(biāo)廓形形狀由ω3，ω4，ω5控制)；

2)在有限元軟件ansys中構(gòu)建磨損鋼軌參數(shù)化模型，并建立鋼軌與車輪踏面的輪軌接觸模型；

3)在動(dòng)力學(xué)分析軟件simpack中建立磨損鋼軌與軌道車輛輪對(duì)接觸的動(dòng)力學(xué)分析模型；

4)利用有限元軟件中的磨損鋼軌參數(shù)化模型，調(diào)整參數(shù)化變量x(ω3，ω4，ω5)，獲得k組(根據(jù)kriging代理模型建模方法，訓(xùn)練樣本數(shù)k＝3(n+1)(n+2)/2＝30，n為設(shè)計(jì)變量數(shù))具有不同廓形的鋼軌模型，應(yīng)用步驟2)的有限元方法，計(jì)算獲得不同參數(shù)化變量x對(duì)應(yīng)的輪軌接觸應(yīng)力值f；

5)在動(dòng)力學(xué)分析軟件中建立磨損鋼軌參數(shù)化模型，調(diào)整參數(shù)化變量x(ω3，ω4，ω5)，獲得30組具有不同廓形的鋼軌模型，應(yīng)用步驟3)的動(dòng)力學(xué)分析方法，計(jì)算獲得不同可調(diào)整權(quán)因子ω3，ω4，ω5對(duì)應(yīng)的輪軌接觸動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h；不同參數(shù)化變量x鋼軌打磨目標(biāo)廓形對(duì)應(yīng)的輪軌接觸應(yīng)力值f和動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h如表2所示：

表2可調(diào)整權(quán)因子ω3，ω4，ω5及其對(duì)應(yīng)輪軌接觸應(yīng)力值f和動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h

6)使用步驟2)和步驟3)中的30組可調(diào)整權(quán)因子ω3，ω4，ω5，步驟2)中的輪軌接觸應(yīng)力值f，步驟3)中的輪軌接觸動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h，作為訓(xùn)練樣本，基于matlab軟件dace工具箱，構(gòu)建并獲得輪軌接觸應(yīng)力f與滾動(dòng)圓半徑差λ關(guān)于鋼軌廓形曲線參數(shù)關(guān)于的kriging模型，分別如圖6和圖7所示；

7)以輪軌接觸應(yīng)力f，輪軌滾動(dòng)圓半徑差λ和輪重減載率j作為優(yōu)化目標(biāo)，以鋼軌參數(shù)化模型的可調(diào)整權(quán)因子ω3，ω4，ω5為變量，以構(gòu)建的鋼軌廓形曲線參數(shù)關(guān)于輪軌接觸應(yīng)力f與動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)h的kriging模型為目標(biāo)函數(shù)，建立磨損鋼軌的打磨目標(biāo)廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)模型；

8)使用步驟7)構(gòu)建的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，獲得優(yōu)化的鋼軌參數(shù)化模型調(diào)整參數(shù)xopt(ω3opt,ω3opt,ω5opt)，利用步驟1)建立的鋼軌的參數(shù)化模型獲得最終的磨損鋼軌打磨目標(biāo)廓形，如圖8(虛線部分)所示。