基于UM的磁浮列车-轨道梁耦合振动仿真程序开发 .pdfVIP

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基于UM的磁浮列车-轨道梁耦合振动仿真

程序开发

作者：德米特里波戈列洛夫·雷强根纳季米克希夫·亚历山大·罗迪科夫

来源：《计算机辅助工程》2019年第01期

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摘要：基于大型通用多体动力学仿真分析平台UniversalMechanism（UM），开发用于磁

浮列车-轨道梁耦合振动仿真的专用程序UMMaglev，其中：磁浮列车设置为多刚体模型，弹

簧和阻尼器的刚度和阻尼视为线性或非线性力元;轨道梁设置为三维铁木辛柯梁模型，或从外

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部有限元软件导入模态分析结果;轨道线路包含平面和纵断面曲线、超高和轨面随机不平顺;悬

浮和导向系统控制采用PID模型;多体动力学系统微分-代数方程求解采用Park刚性稳定法。该

程序可用于考察磁浮列车的曲线通过性能、运行平稳性和乘坐舒适度，研究悬浮/导向气隙与

磁浮控制系统参数优化，分析轨道梁在动态电磁力作用下的振动响应。

关键词：磁浮列车;轨道;振动;耦合;多体动力学;数值积分

中图分类号：U237;U441.7

文献标志码：B

文章编号：1006-0871（2019）01-0028-08

引0言

磁浮交通具有磨耗小、噪声低、曲线通过和爬坡能力强等优点，既适用于城市轨道交通

（中低速），又适用于国内/国际干线交通（高速），有良好的发展前景。目前，国内外的磁

浮线主要有电磁悬浮（electromagneticsuspension，EMS）和电动悬浮（electrodynamic

suspension，EDS）2种制式。德国的Transrapid、日本的HSST、韩国的UTM和中国的CMS

系列均为EMS型。这种类型的磁浮列车需要施加主动控制以实现稳定悬浮。磁浮轨道一般采

用高架桥方式，列车以一定速度通过轨道梁会引发梁的振动，梁的振动又会影响列车系统，甚

至会发生共振，不仅影响乘坐舒适度，而且不利于轨道梁的安全，因此有必要开展磁浮列车-

轨道梁系统耦合振动的研究。[1-10]

ZHAI等[11]基于MATLAB平台建立上海高速磁浮线TR08型磁浮车辆与高架磁浮轨道耦

合动力学模型，其中：车辆为多刚体模型，共计133个自由度;磁浮控制系统为基于“位移-速度

-加速度”反馈的单电磁铁比例-积分-微分（proportion-integral-derivative，PID）控制模型;磁浮

轨道为“欧拉-伯努利”梁模型，未考虑轨道梁的剪切和扭转效应。梁鑫等[12]基于SIMPACK平

台建立高速磁浮车辆多刚体动力学模型和基于“位移-速度-加速度”反馈的单电磁铁PID控制模

型，并将ANSYS计算得到的轨道梁模态导入到SIMPACK中，但其模态计算方法为缩减法，

采用主自由度计算特征值和特征向量，只能生成近似的质量矩阵，导致系统总质量损失，精度

受使用者选择的主自由度数目和位置影响较大。刘德军等[13]和李小珍等[14]基于自主研发的

车桥耦合振动分析软件VRBIM和VTBIM建立中低速磁浮车辆-控制器-桥梁耦合动力学模型，

车辆为多刚体模型，桥梁为有限元模型，控制系统为基于“位移-速度”反馈的比例-微分

（proportion-derivative，PD）控制模型，未考虑加速度反馈，分析磁浮车桥系统的垂向动力，

未分析磁浮车桥系统的横向耦合作用。

自1985年起，德米特里波戈·列洛夫开始研发大型通用多体动力学仿真分析平台Universal

Mechanism（UM），然后带领团队经过30多年的持续研究，陆续开发铁道机车车辆、公路车

辆、履带车辆、单轨列车、轮轨磨耗、刚柔耦合、车桥耦合、疲劳耐久性、滚动接触疲劳、柔

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性轨道和柔性轮对等20多个专业动力学分析模块，其中大部分应用于轨道交通领域。本文基

于现有的单轨列车、柔性轨道和刚柔耦合等模块