[發(fā)明專利]一種非線性Hertz彈簧的建立方法及應用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110478765.6
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113191051B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發(fā)明（設計）人: 趙鑫;尹杉;黃雙超;張鵬;凌亮;楊吉忠;溫澤峰
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06F119/14
• 代理公司: 成都擎智秉業(yè)專利代理事務所(普通合伙) 51227
• 代理人: 徐驥

本發(fā)明涉及非線性Hertz彈簧的建立方法，還涉及該模型的應用，建立方法包括以下步驟：建立三維輪軌瞬態(tài)滾動接觸有限元模型，獲取不同工況下的法向輪軌力；建立車輛?軌道耦合動力學模型并基于非線性Hertz接觸彈簧，獲取不同工況下法向輪軌力，通過進一步引入修正因子，以得到基于改進后的Hertz彈簧下的法向輪軌力，設定多個修正因子的初始嘗試值，代入該Hertz彈簧中，通過迭代變換得到改進后的Hertz彈簧。采用以上方法得到的Hertz彈簧這樣的法向接觸模型，可以方便地引入至常用的車輛?軌道耦合動力學模型中，提高其輪軌法向相互作用的求解精度，同時還不會增加計算成本。

技術領域

本發(fā)明涉及用于輪軌動力學模型法向接觸分析的模型建立方法。

背景技術

短波不平順，如鋼軌波磨、車輪多邊形和輪軌擦傷等輪軌傷損，在鐵路車輪和鋼軌上廣泛存在，不僅會改變輪軌接觸幾何，影響輪軌接觸關系，嚴重時還會惡化車輛動力學性能，以及導致零部件斷裂失效和巨大噪音等嚴重后果。為了解決這類輪軌傷損問題，必須精確求解高頻車輛-軌道相互作用。

目前，基于多體動力學的數(shù)值模型仍然是用于此目的的第一選擇，并且可以在頻域或時域中求解。在這種方法中，車輪和軌道之間的法向相互作用通常被模擬為基于赫茲接觸理論的Hertz彈簧，其中暗示了靜態(tài)或準靜態(tài)的Hertz接觸、線性彈性和無限小的接觸斑的假設。而無限小接觸斑的假設進一步?jīng)Q定了只能考慮輪軌接觸幾何二維的不平順。而且，Hertz彈簧的適用性尚未被評估用于高頻動力學分析。為了考慮到復雜的接觸幾何，使用虛擬穿透和近似表面變形方法的非Hertz接觸模型已經(jīng)被開發(fā)，并且可以在時域動力學模型中得到實現(xiàn)。這種非Hertz接觸模型在計算成本上與Hertz彈簧相當，但只考慮了接觸斑橫向的非橢圓特性，仍然隱含著半空間、準靜態(tài)、線性彈性等假設。此外，在進行動態(tài)分析時，該模型仍然假設為無限小的接觸斑，即忽略接觸濾波器效應。近年來，被認為是研究高頻車輛-軌道相互作用和瞬態(tài)輪軌滾動接觸的三維輪軌瞬態(tài)滾動接觸有限元模型被廣泛應用，其優(yōu)點在于可以考慮輪軌柔性、輪軌的真實幾何(即可以考慮輪軌接觸幾何三維的不平順)，接觸濾波效應和材料非線性等。然而高計算成本也是限制有限元方法進一步發(fā)展的主要缺點。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種建立更加精確的適用于輪軌動力學模型法向接觸分析的模型方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本申請采用的技術方案是非線性Hertz彈簧的建立方法，該非線性Hertz彈簧用于輪軌動力學模型法向接觸分析，該非線性Hertz彈簧的建立方法包括以下步驟：

S1、獲取車輛運行速度、鋼軌波磨波長；

S2、建立三維輪軌瞬態(tài)滾動接觸有限元模型(下文簡稱瞬態(tài)有限元模型)，根據(jù)車輛運行速度、鋼軌波磨波長(具體實施時，波深固定取0.04mm)，獲取不同工況下的法向輪軌力F_NR；

S3、建立車輛-軌道耦合動力學模型(下文簡稱耦合動力學模型)，根據(jù)車輛運行速度、鋼軌波磨波長，并基于非線性Hertz接觸彈簧(下文簡稱為Hertz彈簧)，可獲取不同工況下法向輪軌力F’_NC，即

通過進一步引入修正因子k，以得到基于改進后的Hertz彈簧下的法向輪軌力，即

S4、設定多個修正因子k的初始嘗試值，代入至改進后的Hertz彈簧中，并利用耦合動力學模型求解對應法向輪軌力，進而推導出k的三次樣條函數(shù)；

通過對k的不斷地迭代變化直至k＝k^*時，使得耦合動力學模型預測的法向輪軌力F”_NC接近于瞬態(tài)有限元模型預測的法向輪軌力F_NR；k^*為每一個工況對應的修正因子；