simpack动力学计算步骤.docx
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simpack动力学计算步骤
simpack动力学计算步骤
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simpack动力学计算步骤
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ActualPath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——————————————————————————————————————
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里右键单击模型，在右键菜单里选择CopyModel，再右键选择PasteModel，粘贴模型，弹出如图1.2对话框，选择NewName，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contactgeometry选为线性（linear），然后单击ApplyasDefaults。
1.3保存线性化状态。
单击Globals/linearizationstates,在弹出的对话框中，选择复制所有铰为线性状态:
CopyAllJointStatesto
LinearizationState，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/ForceElements，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
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、
，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TypeofQuasi-Linearization定义为HarmonicLin，如果是下一步的变参数计算则定义为EquivalentLin，步骤:
在前处理器中单击Globals/vehicleglobal，在ContactGeometry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/Modeshapes,在弹出的对话框中，如图1.8，选择模态，单击两端播放按钮——————————————————————————————————————
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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InitialValue和FinalValue，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GenerateQuasilinearWheelRailProfiles。
在标签Methods中，把LinearMethods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/Parvariationplots/
Eigenfrequency,弹出对话框:
Show:
AllEV;
频率Frequ.Dimension:
Hz;
阻尼Damp.Dimension:
naturaldamping;
表示方法Representation:
Rootlocii。
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在PlotSetting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OuterParamP2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:
StraightTrack（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。
InitialValueofExcitation（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
ofInitialSmoothing（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
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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_LISTDATA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/TimeIntegration/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——————————————————————————————————————
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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:
Statezg（position），单击此项会弹出窗口选择被测量元素（Elements），选择$J_wheelset_1，单击OK退出并保存。
单击Coordinate，弹出窗口，选择输出坐标Y轴为侧向位移%2y:
Lateral
Position[m]，单击OK保存并退出。
以此步骤建立3，4，6端轴轮对的横向振动位移。
由于还需要输出轮对横向振动极限环振幅，因此再建立四个端轴横向振动位移输出量，通过添加滤波器来得到所需的振幅。
输出量建立之后添加滤波器，选中相应的输出量，单击FilterChains，弹出如图对话框。
由于端轴轮对横向振动位移为直接测得的量，因此不需要添加滤波器就可以直接输出所需数据。
对另外四个端轴轮对横向振动位移输出量添加滤波器进行函数计算，FilterY，t中需要进行的运算分别是004:
Multiplyx（MultiplicationFactor=SPEED，——————————————————————————————————————
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将X轴的量（t）乘以速度），048:
window
on
x-Values（x取轨道某一段值，即对这段进行输出，例如此例中取轨道是300m，则可以取x=280到x=300这段距离判断振幅是发散还是收敛），043:
MaximumofFunction:
ABS（y（x））（对函数取绝对值的最大值，振幅为非负），003:
Multiplyy（y=1000，将振幅单位由米变为毫米），整个运算的意义为:
在280-300米轨道上将振动位移取绝对值并在这些值里取得最大值输出即得到振幅。
单击FilterY，t窗口下面的New，在弹出窗口中选择004，单击OK，这时在Parameters（参数）窗口中定义x的值，单击Multiplication
factor=1.000000，弹出窗
口，在输入窗口中右键单击选择valuegivenbySubstitution
Variables，选择$_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=f2.5
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
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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（UserDefined），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RoadTracks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/TimeIntegration/Configure,在弹出——————————————————————————————————————
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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:
TranslatoricAcceleration
（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OutputChannelY_i（p2,p1,t）中选择
082:
Statistics:
StandardDeviation,Variance（ResultType=Standard
Deviation）即标准方差;
003:
Multiplyy（Factor=3.000000）定义输出结果为3倍标准方差;
在Condenseatt-last->Y_i（p2,p1）中选择047:
Pass/CopyValues。
（1.2）输出平稳性指标。
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在OutputChannelY_i（p2,p1,t）中选择
085:
Statistics:
WZValue（RideIndex）（KindofRideIndex=ISO2631horizontal（横向）/vertical（垂向））;
在Condenseatt-last->Y_i（p2,p1）中选择047:
Pass/CopyValues。
（2）各轴最大的轮轴横向力的Type为:
ForceElements:
OutputValue，Element选择$F_RW_Friction_Left_of_wheelset_1（或其他轮对），
Coordinate选择%29Y_Wheelsetontrack[N]（轮轴垂向力则为%26
Q_Wheelontrack[N]）。
滤波器设置为:
在OutputChannelY_i（p2,p1,t）中选择
004:
Multiplyx（Factor=SPEED）;
092:
Slidingmean（Lengthofaveragingwindowxm=2.000000，
Samplingperiodxs=0.500000，即2m平滑处理）;
082:
Statistics:
StandardDeviation,Variance;
003:
Multiplyy（Factor=0.00300000）（ResultType=StandardDeviation）;在Condenseatt-last->Y_i（p2,p1）中选择047:
Pass/CopyValues。
（3）端轴脱轨系数的Type为:
ForceElements:
OutputValue;
Element选择$F_RW_Friction_Left_of_wheelset_1（或其他轮对）;
Coordinate选择%28Y/Qderailmentcoeff.Wheel。
滤波器设置为:
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在OutputChannelY_i（p2,p1,t）中选择
004:
Multiplyx（Factor=SPEED）;
092:
Slidingmean（Lengthofaveragingwindowxm=2.000000，
Samplingperiodxs=0.500000）（两米平滑处理）;
082:
Statistics:
StandardDeviation,Variance（ResultType=Standard
Deviation）;003:
Multiplyy（Factor=3.000000）;
在Condenseatt-last->Y_i（p2,p1）中选择047:
Pass/CopyValues。
（4）轮重减载率的Type为:
ForceElements:
OutputValue;Element选择$F_RW_Friction_Left_of_wheelset_1（或其他轮对）;Coordinate选择%26Q_Wheelontrack[N]。
轮重减载率的定义式为:
?
P/P;
其中:
?
P——一侧车轮的轮重减载，P——左右侧平均轮重。
滤波器设置为:
在OutputChannelY_i（p2,p1,t）中选择
004:
Multiplyx（Factor=SPEED）;
092:
Slidingmean（Lengthofaveragingwindowxm=2.000000，
Samplingperiodxs=0.500000）;
001:
Shifty（Factor=$_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:
StandardDeviation,Variance（ResultType=Standard
Deviation）;003:
Multiplyy（Factor=3.000000）;
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在Condenseatt-last->Y_i（p2,p1）中选择047:
Pass/CopyValues。
（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。
OutputChannelY_i（p2,p1,t）选择082:
Statistics:
StandardDeviation,
Variance（ResultType=StandardDeviation）以及003:
Multiplyy（FactorF=3.000
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