便携式轨道衡动力学仿真分析

    电子计算机和虚拟样机技术的发展,为轨道衡的设计提供了一种新的设计方法———虚拟设计。笔者利用虚拟样机技术软件ADAMS,分析了轨道衡的重要受力零件称重梁在列车以确定速度通过轨道衡时的应力响应曲线。

    1　便携式轨道衡动力学仿真模型

    基于ADAMS平台的轨道衡主要零件称重梁的动力学仿真模型建立流程参见图1[2]。

    1.1　建立系统刚体模型

    1.1.1　三维模型的建立

    由于ADAMS自带的建模工具建立结构复杂零件模型的能力相对专业的CAD软件如Pro/E较差,故这里所分析的轨道衡主要零件称重梁选择由Pro/E建立三维实体模型。在Pro/E中建立精确的称重梁三维模型,并输出模型的Render(. slp)文件,然后在ADAMS中利用其提供的Render(*. slp)接口读入,读入后检查模型的基本信息如几何属性、材料属性等,确保模型的准确性。根据便携式轨道衡的实际结构和运动关系,将其简化为由钢轨、称重梁、轮对、车体等组成的系统。在符合实际工况及保证分析的正确性和进行仿真分析的前提下,对钢轨、轮对和车体等几何形状进行适当的简化,其中车体以一质量块的形式来描述,其重量等效于实际列车的单轴载荷。利用ADAMS自带的建模工具在适当位置建立钢轨、轮对、车体等简单实体零件模型及必要的辅助部件,尽量使各零部件之间相互位置与其在系统中的初始位置一致。

    1.1.2　各零部件之间约束的施加

    在轮对与钢轨之间施加考虑摩擦力影响的接触力约束,其接触模型采用虚拟样机技术的等效弹簧阻尼( impact模型)模型的数学表达式为[3]:

    式中:Fn为接触力;k为等效弹簧的刚度;g为碰撞两物体间的穿透深度;e是正实数,代表力的指数;cmax为最大阻尼系数;dmax为使用cmax计算出来的穿透边界深度。

    等效弹簧阻尼模型假定变形限制在接触区的领域,弹簧接触力根据赫兹接触规律确定,而接触过程的能量损失是通过阻尼器加以考虑的,在此基础上进行碰撞力大小和时间的计算。

    车体与轮对之间施加一线性弹簧阻尼器,将车辆垂直振动形式简化为具有粘性阻尼的单自由度强迫振动,线性弹簧阻尼器的作用效果等效于轮对两侧弹簧阻尼器的并联作用[1, 4]。

    ADAMS/Solver通过下式计算弹簧力F[3]:

    式中:K为弹簧刚性系数;R为弹簧两端的相对位移; dR/dt为弹簧两端的相对速度;R0为弹簧两端的初始相对位移;F0为弹簧的预作用力。

    简化后的车体振动微分方程为:

    根据实际情况并结合自己的经验,确定弹簧刚性系数K=667N/mm,粘带阻尼系数C=30Ns/mm,M为车体等效质量。系统刚体模型如图2所示。