simpack动力学建模计算手册.docx

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simpack动力学建模计算手册

建模、计算记录

1创建文件

主窗口>>File>>OpenFile，弹出文件选择窗口。

选择合适的文件目录，点击New，输入文件名，OK。

主菜单>>ModelSetup，弹出建模窗口，同时创建了基本模型，该基本模型包括一个坐标参考系（Isys），一个刚体（Body）和一个运动副（joint）。

2设置环境

2.1设置重力

建模窗口>>Globals>>Gravity，弹出重力设置窗口。

将重力设置为Z方向+9.81，OK。

2.2设置视图

建模窗口>>View>>ViewSetup，弹出视图设置窗口。

选择【StandardViews】中的【wheel/Rail:

Perspectiveview】，OK。

3创建第1个轮对

3.1创建轮对刚体

建模窗口>>Element>>Bodies，弹出刚体元件窗口。

将Body1重命名为Wheelset1。

双击Wheelset1，弹出刚体参数设置窗口。

设置轮对的参数：

轮对的质量为1654kg，轮对的摇头转动惯量为726kg.m.m。

3.2创建轮对的外形

选择【3DGeometry】，弹出刚体外形设置窗口。

双击$P_Wheelset1_Cuboid，出现设置外形参数窗口。

设置车轴外形参数，见上图，OK。

回到刚体外形设置窗口，OK。

回到刚体设置窗口，OK。

4创建轮对的运动副和轮轨接触

4.1创建轮对的运动副

>>Elements>>Joints，出现运动副窗口，双击$J_Wheelset1，出现运动副设置窗口。

选择07号运动副，设置初始状态。

4.2创建轮轨接触

选择【Generate/UpdateWheel-RailElementsofJoint】，出现轮轨接触窗口。

选择OK，回到运动副设置窗口。

点击【AssembleSystem】，OK，完成车轮及轮轨接触运动副设置。

模型文件名：

Ametro_01。

5设置初始轨道

>>Globals>>Track，出现轨道设置窗口。

SIMPACK中，可以设置六种轨道形式：

（1）直线；

（2）圆曲线；

（3）直线+缓和曲线+圆曲线；

（4）直线+缓和曲线+圆曲线+缓和曲线+直线；

（5）两段方向曲线+直线；

（6）道岔；

5.1直线

【Toplogy】选择StraightTrack，输入线路总长度，OK。

程序调试时，通常采用直线形式。

模型文件名：

Ametro_02。

5.2曲线

曲线需要选择以下参数：

（1）缓和曲线超高类型（S形、直线形）；

（2）超高形式（中心线、轨式）

曲线的设置包括以下参数：

（1）直线长度：

（2）缓和曲线长度；

（3）圆曲线半径；

（4）曲线超高；

（5）超高测量值（默认1.506m）；

（6）圆曲线长度；

（7）线路总长度；

6设置车辆总体参数

6.1车辆总体参数初步设置

>>Globals>>VehicleGlobals，出现车辆总体参数设置窗口。

设置轮对类型【WheelsetsofType】：

Wheelset1

设置车辆速度【v_vehicle】：

10m/s；

设置轨道参数模式【Railgaugegivenby】：

TrackGauge

设置左轮滚动圆半径：

0.42m；

设置右轮滚动圆半径：

0.42m；

设置车轮滚动圆横向间距之半：

（1.353+2*0.07）/2=0.7465m；

设置轨距：

1.435m；

设置轨距测量高度：

0.014；

设置轨底坡：

1/40；（如果没有轨底坡，则设为“0”）

设置左轮踏面外形：

S1002；

设置左轨外形：

UIC60；

设置右轮踏面外形：

S1002；

设置右轨外形：

UIC60；

设置轮轨接触模式：

【singlecontact】，【constraintcontact】，【Tableeveluation】。

选择【ApplyasDefaults】，Close，完成设置。

6.2保存设置

建模窗口>>File>>Save，建模窗口>>File>>Reload，系统自动完成轮对与线路的装配，如下图所示。

注意：

由于SIMPACK没有undo功能，因此在每一步完成后请存盘，然后重新载入模型，或者另存为一新文件。

6.3轮轨接触几何关系检查

当对车轮踏面和轨头外形设置完成后，可检查轮轨接触几何关系。

点击【CheckProfile/Tables】，出现轮轨接触几何关系检查设置窗口以及结果窗口。

6.4轮轨接触力计算设置

点击【ContactForce】，出现轮轨接触力计算设置窗口。

各选项说明如下：

蠕滑力计算理论：

默认为Kalker简化理论；

摩擦形式：

默认为常数；

摩擦系数：

默认取0.4；

车轮正压力小于等于零时：

（1）终止计算；

（2）垂向载荷变为零；

注意：

以上选项的存在条件时轮轨运动副设置为07或09。

轮对抬高量时：

（1）不作处理；

（2）跳起5mm时终止计算；（3）爬起5mm时终止计算。

6.5轮轨接触模式

6.5.1单点与多点接触

单点接触：

一点接触

多点接触：

最多三点接触——踏面、轮缘、轮背各一点。

6.5.2刚性与弹性接触

刚性接触：

（1）法向力等于约束力；

（2）避免高频振动，运算速度快；

（3）车轮只存在“假抬起”；

（4）可进行单点、多点接触计算。

弹性接触：

（1）用单侧弹簧和阻尼（18号元件）代替约束；

（2）法向力等于弹簧和阻尼合力；

（3）存在高频振动，计算速度慢；

（4）车轮可能抬起；

（5）仅适用于单点接触。

6.5.3轮轨接触模式的选择

（1）调试模型——单点刚性接触，不允许跳起；

（2）平稳性计算，线路激扰小——单点刚性接触，不允许跳起；

（3）平稳性计算，线路激扰大——单点刚性接触，允许跳起；

（4）脱轨安全性计算，大曲线——单点弹性接触，允许跳起；

（5）脱轨安全性计算，小曲线——多点刚性接触，允许跳起；

（6）曲线通过计算，可能出现大冲角——在线轮轨力计算；

模型文件名：

Ametro_03。

7创建第2个轮对

7.1创建轮对刚体

>>Element>>Bodies，弹出刚体元件窗口。

新建一个刚体，命名为Wheelset2，弹出参数设置窗口。

设置轮对的参数：

轮对的质量为1654kg，轮对的摇头转动惯量为726kg.m.m。

7.2创建轮对的运动副和轮轨接触

>>Elements>>Joints，出现运动副窗口（备注：

每创建一个刚体时，系统自动在该刚体上创建一个运动副）。

双击$J_Wheelset2，出现运动副设置窗口。

选择07号运动副，设置初始状态，S=2.5m（轴距）。

选择【Generate/UpdateWheel-RailElementsofJoint】，出现轮轨接触窗口。

选择【WheelsetType】与第1个轮对相同：

WheelsetType_1，OK。

回到运动副设置窗口，点击【AssembleSystem】，OK。

7.3保存设置

建模窗口>>File>>Save，建模窗口>>File>>Reload，系统自动完成轮对与线路的装配。

7.4创建轮对的运动副和轮轨接触

由于轮对的类型与第1个轮对相同，因此不需要再设置参数。

如果两个轮对的参数不同，则需要设置该参数。

模型文件名：

Ametro_04。

8创建构架

8.1创建构架刚体

>>Element>>Bodies，弹出刚体元件窗口。

新建一个刚体，命名为frame1，弹出参数设置窗口。

设置构架的参数：

动车构架的质量为3970kg，摇头转动惯量为4716kg.m.m（Izz），侧滚转动惯量为2058kg.m.m（Ixx），点头转动惯量为2936kg.m.m（Iyy）。

构架的质心为（0，0，-0.5），质心位置这样设置的好处是使得构架参考系的高度在轨面上，便于构架上其它Marker点的位置设置，这时在构架运动副中的高度不需要设置。

构架其它参数设置如下图所示。

8.2创建构架的外形

8.2.1构架的侧梁

选择【3DGeometry】，出现几何图形设置窗口。

重新名为Frame，选中进入图形设置窗口。

【Type】选择22：

WheelRailBogie。

设置参数如上图，OK。

8.2.2构架的前横梁

在几何图形设置窗口，增加新的几何图形travf，进入图形设置窗口。

【Type】选择01：

Cubiod，设置参数如上图，OK。

8.2.3构架的后横梁

在几何图形设置窗口，增加新的几何图形travb，进入图形设置窗口。

【Identifyto】：

travf，设置参数如上图，OK。

8.3创建轮对的运动副

>>Elements>>Joint，双击$J_Frame，出现运动副设置窗口。

【Jointtype】选择07:

GeneralWheel/RailJoint。

设置初始状态，S=1.25m（转向架质心纵向坐标）。

注意：

不要选择【Generate/UpdateWheel-RailElementsofJoint】。

8.4保存设置

建模窗口>>File>>Save，建模窗口>>File>>Reload。

模型文件名：

Ametro_05。

9创建一系悬挂

9.1创建轮对的Marks点

>>Elements>>Bodies，选择第1个轮对。

选择【Marks】，出现Mark点窗口。

新建轮对上Mark点，wheelset1_PS_L（0，-1，0）和wheelset1_PS_R（0，1，0）。

注意：

这里的坐标均为相对坐标，是相对刚性质心的坐标。

同样，创建第2个轮对Marks点，wheelset2_PS_L（0，-1，0）和wheelset2_PS_R（0，1，0）。

9.2创建构架的Marks点

Frame1_PS_FL（-1.25，-1，-0.42），Frame1_PS_FR（-1.25，1，-0.42）

Frame1_PS_BL（1.25，-1，-0.42），Frame1_PS_BR（1.25，1，-0.42）

实际上，构架上的Mark点与轮对的Mark点在空间的位置重合。

9.3创建一系弹簧

>>Elements>>Forces，新建一个力元件PS_FL1，出现了力元件设置窗口。

【ForceType】选择05:

SpirngDamperparallelCmp，设置一系弹簧参数，如上图。

小技巧：

选择【FromMarkeri】和【ToMarkerj】的顺序时，应尽量使得预平衡载荷【NonimalForce】为负值。

如果预平衡载荷为正值，可能回出现车轮离开轨道的情况，影响积分的速度，这时可将【FromMarkeri】和【ToMarkerj】的顺序颠倒，就能解决问题。

选择【3DGraph】，出现力元件形状设置窗口。

设置力元件外形，如上图，OK。

同理，设置其它一系垂向弹簧力元件，PS_FR1，PS_BL1，PS_BR1。

9.4保存设置

建模窗口>>File>>Save，建模窗口>>File>>Reload。

模型文件名：

Ametro_06。

10模型检查

10.1加速度检查

建模窗口>>Globals>>VehicleGlobals，出现车辆参数设置窗口。

速度设为1m/s，【ApplyasDefaule】。

建模窗口>>File>>Save。

主窗口>>Calculation>>TestCall>>Performance。

检查各运动副的加速度。

主窗口>>PostProcess>>StatesPlots。

如果模型中所有运动副的加速度接近零值，说明模型没有错误。

如果模型中某个运动副的加速度很大（如达到10g左右），说明给运动副存在错误。

如果模型中某个运动副的Z向加速度为1g左右，说明该模型初始状态没有平衡。

10.2载荷预平衡

建模时，各刚体的位置通常是取空车（重车）的平衡位置，因此必须对垂向弹簧施加预载荷以平衡重力。

关闭建模窗口。

主窗口>>Calculation>>NonimalForces，出现载荷预平衡窗口。

点击【InitialisewithAll】，需要计算的ForceElement出现。

点击【PerformCalculation】，计算结果窗口出现。

检查各力元件上载荷的对称性，如果某一力元件与其它同类元件的载荷相差较大，说明该力元件存在错误。

小技巧：

如果预平衡载荷为正值，可将力元件的【FromMarkeri】和【ToMarkerj】的顺序颠倒，就能解决问题。

当各力元件上载荷很对称时，点击【Save】，出现计算结果保持窗口，按图示选择后，点击OK。

点击【Exit】，退出预载荷计算窗口。

10.3计算检查

进入建模窗口。

建模窗口>>Calculation>>TimeIntegration，出现时域积分窗口。

选择【Go】。

如果转向架图形开始运动，说明模型正常。

否则，自动退出该窗口。

模型文件名：

Ametro_06。

11创建另一个转向架

11.1创建第3个轮对

>>Element>>Bodies，新建一个刚体，命名为Wheelset3。

设置轮对的参数：

轮对的质量为1654kg，轮对的摇头转动惯量为726kg.m.m。

>>Elements>>Joints，双击$J_Wheelset3，选择07号运动副，设置初始状态，S=15.7m（车辆定距）。

选择【Generate/UpdateWheel-RailElementsofJoint】，出现轮轨接触窗口,选择OK，回到运动副设置窗口。

点击【AssembleSystem】，OK，完成车轮及轮轨接触运动副设置。

>>File>>Save，然后>>File>>Reload。

模型文件名：

Ametro_07。

11.2创建第4个轮对

>>Element>>Bodies，新建一个刚体，命名为Wheelset4。

设置轮对的参数：

轮对的质量为1654kg，轮对的摇头转动惯量为726kg.m.m。

>>Elements>>Joints，双击$J_Wheelset3，选择07号运动副，设置初始状态，S=2.5+15.7=18.2m（车辆定距）。

选择【Generate/UpdateWheel-RailElementsofJoint】，出现轮轨接触窗口,选择OK，回到运动副设置窗口。

点击【AssembleSystem】，OK，完成车轮及轮轨接触运动副设置。

>>File>>Save，然后>>File>>Reload。

模型文件名：

Ametro_08。

11.3创建第2个构架

>>Element>>Bodies，新建一个刚体，命名为frame2。

设置构架的参数：

动车构架的质量为3970kg，摇头转动惯量为4716kg.m.m（Izz），侧滚转动惯量为2058kg.m.m（Ixx），点头转动惯量为2936kg.m.m（Iyy），构架的质心为（0，0，-0.5）。

>>Elements>>Joint，双击$J_Frame2，【Jointtype】选择07:

GeneralWheel/RailJoint。

设置初始状态，S=1.25+15.7=16.95m（转向架质心纵向坐标）。

模型文件名：

Ametro_09。

11.4创建一系悬挂

创建第3个轮对上的Marks点，wheelset3_PS_L（0，-1，0）和wheelset3_PS_R（0，1，0）。

创建第4个轮对上的Marks点，wheelset4_PS_L（0，-1，0）和wheelset4_PS_R（0，1，0）。

创建第2个构架上的Marks点，Frame2_PS_FL（-1.25，-1，-0.42），Frame2_PS_FR（-1.25，1，-0.42），Frame2_PS_BL（1.25，-1，-0.42），Frame2_PS_BR（1.25，1，-0.42）

>>Element>>Forces，创建力元件PS_FL、PS_FR、PS_BL、PS_BR，类型05:

SpirngDamperparallelCmp，设置弹簧参数，同第1个转向架。

模型文件名：

Ametro_10。

12创建车体

12.1创建刚体

>>Element>>Bodies，新建一个刚体，命名为Carbody。

设置车体的参数：

质量为23825kg，摇头转动惯量为506504kg.m.m（Izz），点头转动惯量为528628kg.m.m（Iyy），侧滚转动惯量为33832kg.m.m（Ixx），车体的质心为（0，0，-1.8）。

设置车体的图形，如下图所示。

12.2创建运动副

>>Elements>>Joints，双击$J_Carbody，选择07号运动副，设置初始状态，S=7.85+1.25=9.1m（车辆定距）。

12.3保持文件

>>File>>Save，然后>>File>>Reload。

模型文件名：

Ametro_11。

13创建二系悬挂垂向弹簧

13.1第1个转向架

13.1.1创建Mark点

构架上的Mark点，Frame1_SS_L（0，-0.94，-0.75），Frame1_SS_R（0，0.94，-0.75）。

车体上的Mark点，Carbody_SS_BL（-7.85，-0.94，-0.75），Carbody_SS_BR（-7.85，0.94，-0.75）。

13.1.2创建垂向弹簧

>>Elements>>Forces，创建力元件SS_BL。

【ForceType】选择05:

SpirngDamperparallelCmp，设置弹簧参数，如下图。

设置力元件外形，OK。

同理，创建力元件SS_BR。

13.2第2个转向架

13.2.1创建Mark点

构架上的Mark点，Frame2_SS_L（0，-0.94，-0.75），Frame2_SS_R（0，0.94，-0.75）。

车体上的Mark点，Carbody_SS_FL（7.85，-0.94，-0.75），Carbody_SS_FR（7.85，0.94，-0.75）。

13.2.2创建垂向弹簧

>>Elements>>Forces，创建力元件SS_FL，SS_FR，参数同前。

13.4保存设置

建模窗口>>File>>Save，建模窗口>>File>>Reload。

13.4载荷预平衡

关闭建模窗口。

主窗口>>Calculation>>NonimalForces，出现载荷预平衡窗口。

点击【ResetNonimalandConstraintForces】，去除原来的载荷预平衡。

点击【InitialisewithAll】，点击【PerformCalculation】，计算结果窗口出现。

检查各力元件上载荷的对称性，如果各相同位置力元件的载荷基本相等，点击【Save】，出现计算结果保持窗口，点击OK。

小技巧：

如果力元件的横向和纵向预平衡载荷存在很小的载荷时，使用建模窗口中>>Calculation>>TimeIntegration进行模型检查时可能无法运行。

出现这种情况时处理如下：

（1）在建模窗口打开VehicleGlobal窗口，进入【ContactForce】设置窗口，将【AllowWheelLeft】设置为“SetTx=Ty=0whenN<0andcontinue”，OK，回到VehicleGlobal窗口，点击【ApplyasDefaults】，Close，退出VehicleGlobal窗口。

保持文件，Reload。

（2）使用建模窗口中>>Calculation>>TimeIntegration进行模型检查。

（3）打开VehicleGlobal窗口，进入【ContactForce】设置窗口，将【AllowWheelLeft】改回原来的设置“AbortSimulationwhenN<0”，OK，回到VehicleGlobal窗口，点击【ApplyasDefaults】，Close，退出VehicleGlobal窗口。

保持文件，Reload。

（4）使用建模窗口中>>Calculation>>TimeIntegration再次进行模型检查。

模型文件名：

Ametro_12。

14二系垂向减振器

14.1第1个转向架

14.1.1创建Mark点

构架上的Mark点，Frame1_SDZ_L（-0.41，-1.235，-0.4），Frame1_SS_R（0.41，1.235，-0.4）。

车体上的Mark点，Carbody_SDZ_BL（-7.85-0.41，-1.235，-0.9），Carbody_SDZ_BR（-7.85+0.41，1.235，-0.9）。

14.1.2创建垂向减振器

>>Elements>>Forces，创建力元件SDZ_BL。

【ForceType】选择02:

DamperPtp，设置阻尼参数，如下图。

设置力元件外形，OK。

同理，创建力元件SDZ_BR。

14.2第2个转向架

14.2.1创建Mark点

构架上的Mark点，Frame2_SDZ_L（-0.41，-1.235，-0.4），Frame2_SS_R（0.41，1.235，-0.4）。

车体上的Mark点，Carbody_SDZ_FL（-7.85-0.41+15.7，-1.235，-0.9），Carbody_SDZ_FR（-7.85+0.41+15.7，1.235，-0.9）。

14.2.2创建垂向减振器

>>Elements>>Forces，创建力元件SDZ_FL，SDZ_FR，参数同前。

模型文件名：

Ametro_13。

15横向减振器

15.1第1个转向架

15.1.1创建Mark点

构架上的Mark点，Frame1_SDY（-0.21，-0.3，-0.7）。

车体上的Mark点，Carbody_SDY_B（-7.85-0.21，0.3，-0.7）。

15.1.2创建横向减振器

>>Elements>>Forces，创建力元件SDY_B。

【ForceType】选择02:

DamperPtp，设置阻尼参数，如下图。

设置力元件外形，OK。

15.2第2个转向架

15.2.1创建Mark点

构架上的Mark点，Frame2_SDY（0.21，0.3，-0.7）。

车体上的Mark点，Carbody_SDY_F（7.85+0.21，-0.3，-0.7）。

备注：

每转向架只有一个横向传感器，车体上的横向减振器靠外侧布置。

15.1.2创建横向减振器

>>Elements>>Forces，创建力元件SDY_F，参数同上。

模型文件名：

Ametro_14。

16纵向牵引弹簧

16.1第1个转向架

16.1.1创建Mark点

构架上的Mark点，Frame1_TR（0，0，-0.42）。

车体上的Mark点，Carbody_TR_B（-7.85，0，-0.42）。

16.1.2创建牵引弹簧

>>Elements>>Forces，创建力