[發明專利]一種適用于高速列車的氣動與多體動力學緊耦合方法

有效

• 申請號: 201910521024.4
• 申請日: 2019-06-17
• 公開（公告）號: CN110245424B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 紀占玲;郭迪龍;楊國偉;黃程德;劉雯;姚永芳;郭易;宋鑫
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 北京晟睿智杰知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11603
• 代理人: 于淼

本發明公開了一種適用于高速列車的氣動與多體動力學緊耦合方法，涉及氣動與多體動力學交叉技術領域，包括：建立列車的多體動力學模型；建立列車流場的氣動計算模型；利用雙時間步時間推進方法，將兩個模型的計算結果在一個物理時間步內進行多次交換，直至達到預定精度或預定次數。對列車流場的不同區域采用不同的網格運動方法，確保各個區域網格運動時的網格質量較好，保證較高的計算效率和計算精度，較好地完成由于列車運動姿態改變和列車前進引起的氣動網格運動。本申請提供的緊耦合方法，與直接耦合方法相比，易收斂且滿足氣動與結構動力學相互作用劇烈時的工程需求，與單向耦合和松耦合方法相比，能提高計算時間精度和整個系統計算穩定性。

技術領域

本發明涉及氣動與多體動力學交叉技術領域，更具體地，涉及一種適用于高速列車的氣動與多體動力學緊耦合方法。

背景技術

我國地貌廣闊，風力資源十分豐富，同時，也是一個多山的國家，鐵路隧線比相對較大，勢必面臨明線大橫風、明線交會、隧道單車通過、隧道交會等工況。而且，隨著列車運行速度的提高，列車與其周圍空氣的相互作用越發顯著。

目前，氣動與多體動力學之間常用的耦合方法主要有單向耦合方法和松耦合方法。強環境風嚴重威脅到列車的安全運行，由于強環境風而導致列車脫軌及傾覆事故屢見不鮮。單向耦合常將環境風和強氣流作為隨時間變化的外載荷施加，忽略了列車在流場作用下運動姿態的改變對流場的影響，不能反映空氣動力學與車輛動力學的耦合關系，難以揭示相互作用的規律，反映其本質。研究高速列車空氣動力學與車輛-軌道耦合動力學之間的耦合效應，大部分采用松耦合仿真方法，即在一個物理時間步內交換一次或兩次數據，致使兩個學科的計算不同步，以及滑移網格和動態網格結合的網格運動方法，存在網格重構問題，有時會造成網格質量降低，且部分研究為明線橫風工況，列車都是靜止的，不適用于含有運動邊界或雙車交會的非定常流動工況。用實驗手段模擬耦合效應還存在一些困難。一般風洞實驗費用昂貴，通常也只能做到準定常測量，不能計及耦合效應，并且也無法模擬高雷諾數流動。此時，數值模擬有著不可替代的優勢。因此，當列車高速運行時，在明線交會、隧道單車通過、隧道交會等工況下，為考慮列車與空氣動力的相互作用、提高計算時間精度和整個系統計算的穩定性，研究高效的氣動與多體動力學緊耦合方法是很有必要的。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種適用于高速列車的氣動與多體動力學緊耦合方法，針對列車流場的不同區域，采用不同的網格劃分和網格運動方法，充分考慮表面粘性力，降低網格劃分的復雜度，獲得較高的網格劃分質量，同時，能夠確保各個區域網格運動時的網格質量較好，保證較高的計算效率和計算精度，較好地完成由于列車運動姿態改變和列車前進引起的氣動網格運動。本申請提供的緊耦合方法，與同時聯立求解兩個學科大型方程組的直接耦合方法相比，易收斂，且滿足氣動與結構動力學相互作用劇烈時的工程需求，與單向耦合和松耦合方法相比，能夠提高計算時間精度和整個系統計算穩定性。

為了解決上述技術問題，本申請有如下技術方案：

本申請提供一種適用于高速列車的氣動與多體動力學緊耦合方法，其特征在于，包括：

建立列車的多體動力學模型；

建立列車流場的氣動計算模型，所述列車流場包括內部流場和包圍所述內部流場的外部流場，所述內部流場包括列車周圍流場和前后端流場；

采用貪婪算法在流場物面上選取控制點；

利用雙時間步時間推進方法，將所述氣動計算模型和所述多體動力學模型之間的數據進行交換，具體為：

將一個物理時間步分為預定精度或預定次數的子迭代；

在每次子迭代中計算所述氣動計算模型的氣動載荷，并將所述氣動載荷保存至數據文件，所述多體動力學模型讀取所述數據文件；