simpack动力学建模计算手册.docx

1、simpack动力学建模计算手册建模、计算记录1创建文件主窗口FileOpen File，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Model Setup，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GlobalsGravity，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ViewView Setup，弹出视图设置窗口。 选择【Standard Views】中的【wheel/Rail: Perspective vi

2、ew】，OK。3创建第1个轮对3.1创建轮对刚体建模窗口ElementBodies，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726 kg.m.m。3.2创建轮对的外形选择【3D Geometry】，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 ElementsJoints，出现运动

3、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/Update Wheel-Rail Elements of Joint】，出现轮轨接触窗口。 选择OK，回到运动副设置窗口。 点击【Assemble System】，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 GlobalsTrack，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

4、+直线；（6） 道岔；5.1直线 【Toplogy】选择Straight Track，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、内轨式）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 GlobalsVehicle Globals，出现车辆总体参数设置窗口。 设置轮对类型【W

5、heelsets of Type】：Wheelset1 设置车辆速度【v_vehicle】：10m/s； 设置轨道参数模式【Rail gauge given by】：Track Gauge 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：【singl

6、e contact】，【constraint contact】，【Table eveluation】。 选择【Apply as Defaults】，Close，完成设置。6.2保存设置建模窗口FileSave，建模窗口FileReload，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【Check Profile/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

7、【Contact Force】，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

8、”；（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

9、对7.1创建轮对刚体ElementBodies，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726 kg.m.m。7.2创建轮对的运动副和轮轨接触 ElementsJoints，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/Update Wheel-Rail Elements of Joint】，出现轮轨接触窗口。选择【Wheelset T

10、ype】与第1个轮对相同：WheelsetType_1，OK。回到运动副设置窗口，点击【Assemble System】，OK。7.3保存设置建模窗口FileSave，建模窗口FileReload，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ElementBodies，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（I

11、zz），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【3D Geometry】，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：Wheel Rail Bogie。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。 【

12、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。【Identify to】：travf，设置参数如上图，OK。8.3创建轮对的运动副 ElementsJoint，双击$J_Frame，出现运动副设置窗口。 【Joint type】选择07:General Wheel/Rail Joint。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/Update Wheel-Rail Elements of Joint】。8.4保存设置建模窗口FileSave，建模窗口Fil

13、eReload。模型文件名：Ametro_05。9创建一系悬挂9.1创建轮对的Marks点ElementsBodies，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.

14、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ElementsForces，新建一个力元件PS_FL1，出现了力元件设置窗口。【Force Type】选择05:Spirng Damper parallel Cmp，设置一系弹簧参数，如上图。小技巧：选择【From Marker i】和【To Marker j】的顺序时，应尽量使得预平衡载荷【Nonimal Force】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

15、将【From Marker i】和【To Marker j】的顺序颠倒，就能解决问题。选择【3D Graph】，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FileSave，建模窗口FileReload。模型文件名：Ametro_06。10模型检查10.1加速度检查建模窗口GlobalsVehicle Globals，出现车辆参数设置窗口。速度设为1m/s，【Apply as Defaule】。建模窗口FileSave。主窗口CalculationTest CallPerforman

16、ce。检查各运动副的加速度。主窗口PostProcessStates Plots。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CalculationNonimal Forces，出现载荷预平衡窗口。点击【Initialise with All】，需要计算的Force Element出现。点击【Perform

17、Calculation】，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【From Marker i】和【To Marker j】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CalculationTime Integration，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：Am

18、etro_06。11创建另一个转向架11.1创建第3个轮对ElementBodies，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726 kg.m.m。 ElementsJoints，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/Update Wheel-Rail Elements of Joint】，出现轮轨接触窗口, 选择OK，回到运动副设置窗口。 点击【Assemble System】，OK，完成车轮及轮轨接触运动副设置。FileSave，然后FileReload

19、。模型文件名：Ametro_07。11.2创建第4个轮对ElementBodies，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726 kg.m.m。 ElementsJoints，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/Update Wheel-Rail Elements of Joint】，出现轮轨接触窗口, 选择OK，回到运动副设置窗口。 点击【Assemble System】，OK，完成车轮及轮轨接触运动副设置。FileSave，然后Fi

20、leReload。模型文件名：Ametro_08。11.3创建第2个构架ElementBodies， 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）。 ElementsJoint，双击$J_Frame2，【Joint type】选择07:General Wheel/Rail Joint。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。1

21、1.4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）ElementForces，创建力元件PS_FL、PS_FR、PS_BL、PS_BR

22、，类型05:Spirng Damper parallel Cmp，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ElementBodies，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 ElementsJoints，双击$J_Carbody，选择07号运动副，设置初始状态，S=7.85+1.25=

23、9.1m（车辆定距）。12.3保持文件FileSave，然后FileReload。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ElementsForces，创建力元件SS_BL。【Force Type】选择05:Spirng Damper

24、 parallel Cmp，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ElementsForces，创建力元件SS_FL，SS_FR，参数同前。13.4保存设置 建模窗口FileSave，建模窗口FileReload。13.

25、4载荷预平衡关闭建模窗口。主窗口CalculationNonimal Forces，出现载荷预平衡窗口。点击【Reset Nonimal and Constraint Forces】，去除原来的载荷预平衡。点击【Initialise with All】，点击【Perform Calculation】，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CalculationTime Integration进行模型检查时可能无法运行。出现这种情况

26、时处理如下：（1） 在建模窗口内打开Vehicle Global窗口，进入【Contact Force】设置窗口，将【Allow Wheel Left】设置为“Set Tx=Ty=0 when NCalculationTime Integration进行模型检查。（3） 打开Vehicle Global窗口，进入【Contact Force】设置窗口，将【Allow Wheel Left】改回原来的设置“Abort Simulation when NCalculationTime Integration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

27、.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ElementsForces，创建力元件SDZ_BL。【Force Type】选择02: Damper Ptp，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

28、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ElementsForces，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

29、）。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ElementsForces，创建力元件SDY_B。【Force Type】选择02: Damper Ptp，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 ElementsForces，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