[发明专利]一种基于有限元的靴轨系统动力学建模及仿真方法

说明书

本发明公开了一种基于有限元的靴轨系统动力学建模及仿真方法，包括以下步骤：步骤1：建立集电靴动力学方程，通过小角近似算法处理，将集电靴的非线性模型转化为单质量块线性模型；步骤2：基于有限元方法建立钢铝复合接触轨动力学模型，根据钢铝复合接触轨动力学模型得到接触轨支撑结构的质量块等效模型；步骤3：根据罚函数接触模型，考虑运动载荷的边界条件，建立靴轨耦合动力学模型；本发明建立集电靴、接触轨两个系统独立的动力学模型及相互之间的接触模型，考虑集电靴和接触轨的参数对靴轨动力学特性的影响，能够反映集电靴和接触轨的相互耦合作用。

技术领域

本发明涉及靴轨系统建模仿真技术领域，具体涉及一种基于有限元的靴轨系统动力学建模及仿真方法。

背景技术

集电靴—接触轨供电系统，以其使用寿命长、可靠性高、维修费用低等优点得到越来越广泛的应用。随着城市轨道交通运行速度的不断提升，集电靴与接触轨的动力冲击及靴轨系统的振动均会增大，将直接影响到集电靴—接触轨系统的使用寿命和供电稳定性。为使靴轨系统在运行时接触力波动较小，取流更平稳，亟需考虑靴轨参数的合理匹配，开展靴轨动态性能研究。已有研究中均将移动载荷视为力或者质点，而实际系统中靴轨系统中的集电靴实际上是包含质量、刚度和阻尼的机构。所以需要建立合理的靴轨耦合动力学模型对靴轨系统间的接触力完成求解。同时，已有研究中均将接触轨视为刚体，未考虑接触轨和绝缘支架的弹性形变对滑动接触特性的影响。此外，大部分研究人员针对靴轨系统的测量方案均仅通过测量数据，难以分析靴轨系统参数变化对靴轨接触力的影响规律。

发明内容

本发明公开了考虑了集电靴和接触轨的参数对靴轨动力学特性的影响，能够反映集电靴和接触轨的相互耦合作用的基于有限元的靴轨系统动力学建模及仿真方法。

本发明采用的技术方案是：一种基于有限元的靴轨系统动力学建模方法，包括以下步骤：

步骤1：建立集电靴动力学方程，通过小角近似算法处理，将集电靴的非线性模型转化为单质量块线性模型；

步骤2：基于有限元方法建立钢铝复合接触轨动力学模型，根据钢铝复合接触轨动力学模型得到接触轨支撑结构的质量块等效模型；

步骤3：根据罚函数接触模型，考虑运动载荷的边界条件，建立靴轨耦合动力学模型。

进一步的，在ANSYS软件中建立靴轨耦合模型，并进行仿真；得到不同参数对靴轨接触力的影响。

进一步的，所述步骤1中集电靴动力学方程如下：

近似的sinθ＝θ，得到

其中，u₁/u₂＝L₁/L₂；

将式(2)代入式(1)得到：

由于δu₂≠0，集电靴单质量块线性模型如下：

式中：m₁＝m(L₁²/L₂²)+(I_b/L₂²)+M，c₁＝c/L₂²，k₁＝k/L₂²；