[发明专利]一种基于距离场的轨道车辆轮轨接触点计算方法

说明书

一种基于距离场的轨道车辆轮轨接触点计算方法，应用轨道车辆轮轨廓形曲线离散数据点，构建基于三次NURBS曲线的车轮踏面、钢轨廓形曲线参数化模型，采用网格化技术与双线性插值方法对钢轨轨头曲线及其周边区域进行处理，获得钢轨廓形曲线的距离场模型，基于最短距离搜索的基本原则，结合NURBS曲线控制点的特点，在距离场中依次对车轮踏面接触点和钢轨接触点进行搜索，实现对轨道车辆轮轨接触点的快速、精确计算。

技术领域

本发明属于轨道车辆轮轨接触分析领域，特别涉及一种基于距离场的轨道车辆轮轨接触点计算方法。

背景技术

轮轨接触几何关系是分析、评价轮轨接触性能的重要方法，而轮轨接触点计算是轮轨接触几何关系分析的重要内容，直接影响轨道车辆的运行稳定性与安全性。当前，在轮轨接触点计算过程中，主要使用“迹线法”(王开文.车轮接触点迹线及轮轨接触几何参数的计算[J].西南交通大学学报,1984,01:89-99.)进行计算。同时，相关研究工作针对轮轨接触实际工况特点，提出了不同类型的轮轨接触点搜索算法([1]张卫华.空间状态轮轮(轨)接触点计算方法[J].中国铁道科学,2006,04:76-79；[2]曾宇清,文彬,于卫东等.基于投影轮廓的轮轨三维接触几何计算研究[J].中国铁道科学,2012,06:51-59；[3]干锋,戴焕云.基于空间矢量映射的新型轮轨接触点算法[J].机械工程学报,2015,10:119-128.)，使得轮轨接触点计算更加贴近轮轨接触实际工况，一定程度上提高了轮轨接触点计算精度。但是，这些方法均存在计算程序繁琐、计算成本较高的问题，影响了轮轨接触分析的效率，使得轨道车辆轮轨接触性能分析的耗时较长。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于距离场的轨道车辆轮轨接触点计算方法，应用轮轨廓形曲线离散数据，构建基于NURBS的车轮踏面、钢轨廓形曲线参数化模型，采用网格化技术与双线性插值方法对钢轨轨头曲线及其周边区域进行处理，获得钢轨廓形曲线的距离场模型。基于最短距离搜索的基本原则，在距离场中对接触点进行搜索，实现轮轨接触点的快速、精确计算。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于距离场的轨道车辆轮轨接触点计算方法，包括以下步骤：

(1)基于轮轨廓形曲线离散点，利用三次NURBS曲线建立钢轨廓形曲线和车轮踏面廓形的参数化模型；

(2)采用网格化技术对钢轨轨头曲线及其周边区域进行处理，获得距离场网格，并保证该区域包括钢轨廓形曲线、车轮踏面轮廓曲线和车轮踏面垂直向上移动的部分；

(3)应用步骤(1)获得的钢轨廓形NURBS曲线点信息，结合步骤(2)获得的距离场网格，使用双线性插值方法计算距离场中廓形曲线点到轨道廓形曲线的距离，并将之作为该点的场值，获得钢轨廓形曲线的距离场模型；

(4)结合NURBS曲线控制点的特点，搜索车轮踏面NURBS曲线上场值最小的控制点P_i′，在受P_i′控制的p+1段曲线段中，再次搜索场值最小的点，并将之作为车轮踏面接触点，p为NURBS曲线的次数；

(5)确定车轮踏面接触点之后，利用梯度算法，在钢轨廓形曲线的距离场中搜索车轮踏面曲线上具有最小场值的点，该点即为钢轨接触点；

(6)改变车轮轮对的横移量，获得新的轮轨廓形曲线离散点，重复步骤(1)～步骤(5)，即可计算得到不同横移量下的轮轨接触点。

所述步骤(2)中距离场网格划分包括以下步骤：

(2.1)选择合适的区域进行网格划分，获得距离场的计算区域范围，并保证该区域包括钢轨廓形曲线、车轮踏面轮廓曲线和出于直观性将车轮踏面垂直向上移动的部分；

(2.2)根据计算精度和计算效率的实际需要，合理确定网格大小，进行网格划分。