simpack动力学计算步骤

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Simpack动力学计算步骤

在机车动力学计算中，主要包括稳定性，平稳性以及曲线通过性的计算。在这些计算过程里，除了开始的建模过程外，后续过程的计算和数据处理也是很重要的。在每个计算中都有不同的输入和输出，在这里就简单进行总结一下：一稳定性计算

在稳定性计算里，包括准线性临界速度（根轨迹计算）和非线性临界速度这两大类计算。

1 线性稳定性根轨迹计算是属于频域计算的范围，根轨迹曲线是机车系统在不同速度下所有特征根的结果，其横坐标为自然阻尼（特征根实部），纵坐标为相应模态的振动频率（特征根虚部）。根轨迹曲线中，随机车运行速度变化的振动模态决定了机车系统的稳定性。理论上，当系统的所有特征根实部全为负值时，系统的运动是稳定的。实际上，在机车车辆应用领域，以自然阻尼不大于-5％作为判断条件。与运行速度无关的振动模态是机车系统中各刚体的振动模态，它所对应的频率即是机车系统的固有振动频率。

1.1在进行根轨迹计算前，要把模型拷贝，重命名，单独进行。运行simpack，打开文件：单击

按钮，弹出如图1.1对话框；在Actual Path

里面输入模型所在根目录路径，在Directory里双击模型所在文件夹，然后在Models里右键单击模型，在右键菜单里选择Copy Model，再右键选择Paste Model，粘贴模型，弹出如图1.2对话框，选择New Name，键入新的文件名；在Model对话框里选择新拷贝的文件，单击OK，完成文件拷贝。单击前处理器

按钮，打开模型。

图 1.1 图1.2

1.2将模型进行等效线性化，在前处理器中单击Globals/vehicle global,在弹

出的对话框中，把contact geometry选为线性（linear），然后单击Apply as Defaults。

1.3保存线性化状态。单击Globals/linearization states,在弹出的对话框中，选择复制所有铰为线性状态：Copy All Joint States to Linearization State，然后单击OK。

1.4把非线性模型中的轴箱自由横动量去掉，在横向上加上横向刚度。在前处理器菜单栏目中选择Elements/Force Elements，或者单击界面右边力元件按钮

，弹出如图1.3对话框，选择一系，双击弹出如图1.4对话框，单击

Fc(y)，如图1.5对话框，选择none去掉轴箱间隙，这时候会出来一系刚度c_y，单击要修改的选项，弹出1.6对话框，选择一系横向刚度。

图 1.3 图 1.4

、

，在输入框里单击右键，弹出如图

图 1.5 图 1.6

1.5重复步骤1.2，1.3，在模型中，每一次修改后都要重复步骤1.2，1.3。保存并关闭模型。

1.6进行单速度下的根轨迹计算。单速度下的根轨迹计算需要将Type of Quasi-Linearization定义为Harmonic Lin，如果是下一步的变参数计算则定义为Equivalent Lin，步骤：在前处理器中单击Globals/vehicle global ，在Contact Geometry的Define中定义。

在主界面中单击Calculation/Eigenvalues，在弹出的对话框中，单击perform，可以看到每个模态的实部，虚部，以及自然阻尼和频率。如图1.7：

图 1.7

通过进行这一步可以调用OUTPUT文件夹中后缀为EVA的文件，用记事本打开可以看到所有的频率和频率对应的零部件，以及这些部件的Amplitude（振幅），Phase（相位），Energy（能量），通过对低频的查看可以看到哪些部件能量较大（接近或等于1），可以对其进一步进行分析。

1.7打开模型，单击前处理器菜单栏目中的Animation/Mode shapes,在弹出的对话框中，如图1.8，选择模态，单击两端播放按钮可以进行动画，可以看到3D模型各模态的振动情况。单击OK关闭对话框。

1.8设置参数变量并计算。在主界面菜单栏目中单击Parvariation/Configure，弹出如图1.9对话框。

图1.8 图1.9

在标签Parameters中有三重循环，在循环p1中设置速度变量：单击New，输入变量名称，回车，在弹出对话框中设置Initial Value和Final Value，单击OK保存设置并退出；在循环p2中设置等效锥度变量，步骤同上。（注：软件在计算时先循环p1，再循环p2，最后循环p3。）

在标签Per-Cale中，把Level2中的第一个改为Generate Quasi linear Wheel Rail Profiles。

在标签Methods中，把Linear Methods改为Disable，保存并退出。单击主界面菜单目录Parvariation/Eigenfrequency/Perform进行计算。 1.9结果查看。如图1.10。单击Postprocess/Parvariation plots/ Eigenfrequency,弹出对话框：

Show：All EV；

频率Frequ.Dimension：Hz；

阻尼Damp.Dimension：natural damping；表示方法Representation：Root locii。

在Plot Setting里设置合适的频率与阻尼，频率一般为0~50，阻尼一般为-1~0.2。选择Outer Param P2里的模态，单击plot显示结果。

图 1.10

2 非线性稳定性

非线性稳定性即计算蛇行稳定性。蛇行稳定性的计算方法为：截取一段长度为50m的不平顺时域谱作为激扰，让机车以一定的速度通过不平顺后，在无不平顺直道上继续运行到300m，考察各刚体位移的收敛和发散情况来判断机车稳定性。

2.1在建立好的非线性模型中，添加轨道激励。在前处理器的按钮图标中单击

，在弹出的对话框中设置Topology：Straight Track（平直轨道），设置轨道

长度，Excitation（激励）选择Rail-related，这样可以同时考虑左右轨的情况，若选择Track-related则左右轨只能设置相同的激励。选择激励后会弹出如图1.11对话框。

Initial Value of Excitation（激励的起始位置），如果激励一开始就施加则在这里输入0；Length of Initial Smoothing（激励的过渡长度）；Lateral（侧向）,Vertical（垂向）,Roll（滚动）-左右轨三个方向的激励，其中08号是通过多项式施加激励，09号是通过轨道激励文件施加激励。此例通过09号激励文件添加激励。

轨道激励文件位于模型数据文件夹名为轨道激励的文件夹中，常用的有美国1-6号轨道谱。用记事本程序打开轨道激励文件夹中名为

TRACK_EXCITED_LIST DATA的文件，输入轨道谱文件名，相应的轨道谱文件用相同的名称保存在同一个文件目录下。设置好之后可以单击plot查看轨道谱。单击OK，保存并退出。

2.2计算设置。单击Calculation/Time Integration/Configure，在弹出的对话框里，可以设置计算时间，计算输出点。计算输出点的个数对结果有很大的影响，太小的输出点数将会忽略了高频的作用，一般设置输出点为8001-9001。

2.3设置变参数。单击ParVariation/Configure，设置速度参数变量speed，在标签parameters中设置起始速度和终止速度，以及速度个数。

在变参数中，建立变量tend，由于设定的变参数速度单位是km/h，需要通过设置变参数文件，设定速度个数、速度大小（m/s）以及通过相应轨道长度需要的时间。

变参数文件位于模型文件数据文件夹中，用记事本打开，如图1.12所示，通过！后面的解释语言可以看到此例设置的速度个数为17个，从80km/h到400km/h，轨道长度为300m，SPEED表示的速度单位为m/s，因此需要将km/h的速度换算成m/s；TEND表示的是通过300m轨道在相应速度下所需的时间，单位为s。

图 1.12

建立输出量，添加滤波器。非线性稳定性需要测量不通速度下轮对横向位移极限环振幅以及轮对的横向振动位移，下面介绍如何建立这些输出量并通过滤波器得到相应的量。

首先建立输出量。单击Results标签，弹出如图1.13。单击New新建Channel，输入名称单击OK进入设置界面，如图1.14。单击Type，在弹出窗口中选择输出量的类型，由于非线性稳定性需要输出位移，因此选择Joints: State zg (position)，单击此项会弹出窗口选择被测量元素（Elements），选择$J_wheelset_1，单击OK退出并保存。单击Coordinate，弹出窗口，选择输出坐标Y轴为侧向位移 %2 y : Lateral Position [m]，单击OK保存并退出。以此步骤建立3，4，6端轴轮对的横向振动位移。

由于还需要输出轮对横向振动极限环振幅，因此再建立四个端轴横向振动位移输出量，通过添加滤波器来得到所需的振幅。

输出量建立之后添加滤波器，选中相应的输出量，单击Filter Chains，弹出如图对话框。由于端轴轮对横向振动位移为直接测得的量，因此不需要添加滤波器就可以直接输出所需数据。对另外四个端轴轮对横向振动位移输出量添加滤波器进行函数计算，Filter Y，t中需要进行的运算分别是004：Multiply x（Multiplication Factor=SPEED，将X轴的量（t）乘以速度），048：window on

x-Values（x取轨道某一段值，即对这段进行输出，例如此例中取轨道是300m，则可以取x=280到x=300这段距离判断振幅是发散还是收敛），043：Maximum of Function：ABS（y（x））（对函数取绝对值的最大值，振幅为非负），003：Multiply y（y=1000，将振幅单位由米变为毫米），整个运算的意义为：在280-300米轨道上将振动位移取绝对值并在这些值里取得最大值输出即得到振幅。

单击Filter Y，t窗口下面的New，在弹出窗口中选择004，单击OK，这时在Parameters（参数）窗口中定义x的值，单击Multiplication factor = 1.000000，弹出窗口

，在输入窗口中右键单击选择value given by

Substitution Variables，选择$_SPEED。其他函数定义步骤相同，在

处可以直接输入数值也可以右键选择变量替换。

对四个端轴轮对进行相同的滤波器设置。

2.4计算。单击

变参数计算按钮，开始计算。

按钮，在弹出窗口中可以选择y=f（p2,p1,t），y=f

2.5结果查看。单击

（p2,p1）,y=f（p2），选择所关心的输出量，就可以看到结果，单击File/Convertible

或Export进行结果的输出，一般选择Export输出Excle格式，再利用数据处理软件进行数据整理

注意：当使用08号激励时，ID号为大于0小于等于5的整数，选择相应的多项式文件，且最大频率，最小频率以及频率点个数因轨道谱不同而发生变化，

所以频率范围和个数一定要对，否则会影响计算结果

二平稳性

平稳性是通过机车在直线上的运行性能来体现的，一般测量输出的有前、后司机室横向、垂向平稳性指标和各个加速度，各轴最大的轮轴横向力、端轴脱轨系数和轮重减载率，以及驱动装置横向、垂向加速度，止挡处各轴横向摆动值。

在计算平稳性时，需要通过不同的轨道谱施加激励。打开模型，单击多项式按钮（polynomials），新建轨道激励多项式，在弹出的对话框里，可以选择自己定义的轨道谱，这时系数选择自己定义（User Defined），选择多项式的次数，然后输入多项式的系数。除此之外，还可以选择已有的德国高干扰和德国低干扰线路，然后单击ok并退出。然后单击Road Tracks按钮，选择直线轨道，激励形式选择Track-related，在弹出的对话框里，单击各方向按钮，都选择08号激励，再单击Parameters，选择相对应方向的轨道谱多项式，注意频率的设置，单击ok并退出。

2.1模型建立好后，添加轨道激励，设置离散化（Discretization）点数，一般可以设置1667，保存并退出模型。

2.2计算设置。单击Calculation/Time Integration/Configure,在弹出的对话框里，可以设置计算时间（若是变参数计算则不需要设置计算时间），计算输出点。计算输出点的个数对结果有很大的影响，太小的输出点数将会忽略了高频的作用

2.3设置变参数。设置速度参数变量speed，单击Parvariation/Configure，弹出对话框，在标签Parameters中设置速度起始和终止速度，以及速度个数。

建立变量tend，通过变参数文件，设定每个不同速度的计算时间，使都通过相同的距离。

在变参数的Results标签里，建立输出量，并添加适当的滤波器。（1）前后司机室测量的Type为：Sensor: Translatoric Acceleration（加速度），Element根据需要选择$S_front_cab或$S_rear_cab，Coordinate根据需要输入2（y轴-横向）或3（z轴-垂向）。

滤波器设置为：

（1.1）分别输出横向以及纵向加速度。在Output Channel Y_i（p2,p1,t）中选择

082：Statistics: Standard Deviation, Variance（Result Type = Standard Deviation）即标准方差；

003：Multiply y（Factor= 3.000000）定义输出结果为3倍标准方差；在Condense at t-last->Y_ i (p2,p1)中选择047: Pass / Copy Values。

（1.2）输出平稳性指标。

在Output Channel Y_ i（p2,p1,t）中选择

085: Statistics: WZ Value (Ride Index)（Kind of RideIndex =ISO 2631 horizontal（横向）/vertical（垂向））；

在Condense at t-last->Y_ i (p2,p1)中选择047: Pass / Copy Values。

（2）各轴最大的轮轴横向力的Type为：Force Elements: Output Value，Element选择$F_RW_Friction_Left_of_wheelset_1（或其他轮对），Coordinate选择) Y_Wheelset on track [N]（轮轴垂向力则为& Q_Wheel on track [N]）。

滤波器设置为：

在Output Channel Y_i（p2,p1,t）中选择

004: Multiply x（Factor= SPEED）； 092: Sliding mean（Length of averaging window xm = 2.000000，Sampling period xs = 0.500000，即2m平滑处理）；

082: Statistics: Standard Deviation, Variance； 003: Multiply y（Factor = 0.00300000）（Result Type = Standard Deviation）；在Condense at t-last->Y_ i (p2,p1)中选择047: Pass / Copy Values。

（3）端轴脱轨系数的Type为：Force Elements: Output Value；Element选择$F_RW_Friction_Left_of_wheelset_1（或其他轮对）；Coordinate选择( Y/Q derailment coeff. Wheel。

滤波器设置为：

在Output Channel Y_i（p2,p1,t）中选择 004: Multiply x（Factor= SPEED）； 092: Sliding mean（Length of averaging window xm = 2.000000，Sampling period xs = 0.500000）（两米平滑处理）；

082: Statistics: Standard Deviation, Variance（Result Type = Standard Deviation）； 003: Multiply y（Factor = 3.000000）；

在Condense at t-last->Y_ i (p2,p1)中选择047: Pass / Copy Values。

（4）轮重减载率的Type为：Force Elements: Output Value；Element选择$F_RW_Friction_Left_of_wheelset_1（或其他轮对）；Coordinate选择& Q_Wheel on track [N]。

轮重减载率的定义式为：?P/P；

其中：?P——一侧车轮的轮重减载，P——左右侧平均轮重。滤波器设置为：

在Output Channel Y_i（p2,p1,t）中选择 004: Multiply x（Factor= SPEED）； 092: Sliding mean（Length of averaging window xm = 2.000000，Sampling period xs = 0.500000）；

001: Shift y（Factor = $_wheel_weight_N_neg）（得到轮重减载量）； 062: y(x) = y(x) / Y0（Y0-value:Y0 =$_wheel_weight_N_neg）；

082: Statistics: Standard Deviation, Variance（Result Type = Standard Deviation）； 003: Multiply y（Factor = 3.000000）；

在Condense at t-last->Y_ i (p2,p1)中选择047: Pass / Copy Values。

（5）驱动装置横向/垂向加速度同司机室加速度输出设置一样。Output Channel Y_i（p2,p1,t）选择082: Statistics: Standard Deviation, Variance（Result Type = Standard Deviation）以及003: Multiply y（Factor F = 3.000000）。

（6）驱动装置止挡处各轴横向摆动3σ值和全程最大值的Type为：Force Elements: Output Value；Element选择$F_stop_IGA_11（选择相应的电机）；Coordinate选择%8 dist. Bi Bj in y_Bi [m]。

滤波器设置为： 3σ值：

在Output Channel Y_i（p2,p1,t）中选择

082: Statistics: Standard Deviation, Variance（Result Type = Standard Deviation）； 003: Multiply y（Factor = 3000.000）；

在Condense at t-last->Y_ i (p2,p1)中选择047: Pass / Copy Values。

全程最大值：

043: Maximum of Function: ABS( y(x) )； 003: Multiply y（Factor = 1000.000）；

在Condense at t-last->Y_ i (p2,p1)中选择047: Pass / Copy Values。

2.4计算。单击

按钮，开始计算

按钮，选择所关心的输出量，查看结果，进行结果

2.5结果查看。单击

的输出。

三曲线通过

在曲线通过中，轨道不再是平直轨道，而是由直线，缓和曲线，圆曲线（有超高），缓和曲线等多段组成的。在计算过程中，还要涉及变曲线半径，未平衡加速度等。

一般曲线通过计算可以确定机车所能通过的曲线的最小半径以及为此目的所需的轮对横动量，机车的曲线通过性能可以通过司机室加速度、平稳性指标、轮轨力、脱轨系数、轮重减载率、驱动装置止挡处的横向位移来进行衡量。

这里先介绍曲线通过中轨道的设置。打开模型，单击Road Tracks按钮，在弹出对话框中，Topology选择Curve Passing（曲线通过），Ramp选择S-Shaped，轨道激励视所算工况而定，然后修改Parameters（轨道参数），包括直线长，缓和曲线长，圆曲线长，超高，曲线半径，轨道总长等。

如果轨道有内轨加宽或考虑竖曲线引起的外轨超高（一般情况下左轨为外轨，仅考虑超高，右轨为内轨，考虑超高和加宽），则在激励处选择Rail-related，在弹出的对话框中，选择04号激励，单击Parameters，通过三段式，设置内轨加宽量或竖曲线三角坑引起的超高量（三段式添加激励详见SIMPACK帮助文档），加宽度与曲线半径的关系根据我国现行《铁路技术管理规程》如表所示。

表加宽度与曲线半径的关系 ?300 300?R?350 ?350 曲线半径R（m）加宽度?（mm） 15 5 0

3.1打开模型，设置轨道，方法如上。

3.2单击Elements/Substitution Variables按钮，根据轨道的数据，修改参数，尤其是滤波器将用到的参数。保存并关闭模型。

3.3计算设置，单击Calculation/Time Integration/Configure,在弹出的对话框里，可以设置计算输出点。计算输出点的个数对结果有很大的影响，太小的输出点数将会忽略了高频的作用

a) 在变参数中，设置曲线半径参数变量，单击parvariation/configure，弹出

对话框，在标签parameters中的p1栏中设置起始和终止半径，以及半径个数。半径是wheel-rail global中的70号；

b) 变参数中，在p2栏里建立未平衡加速度参数变量，设置起始和终止加速

度，以及加速度个数。加速度是wheel-rail global中的72号； c) 在变参数的Results标签里，建立输出量，并添加适当的滤波器； d) 单击

按钮，开始计算；

e) 结果查看，单击按钮，选择所关心的输出量，就可以看到结果，单击

file/convertible（export）进行结果的输出。

在曲线通过性能计算中常常需要对不同曲线工况分别进行计算，这样就需要进行定参数计算。