一、Simpack軟件及Rail模塊簡介

Simpack是專家級機電系統(tǒng)運動學(xué)/動力學(xué)仿真分析軟件，是世界上第一款采用完全遞歸算法、利用相對坐標系建立模型的多體動力學(xué)軟件。

Simpack軟件可以用來仿真模擬現(xiàn)實世界中任何的機械/機電系統(tǒng)，從僅僅只有幾個自由度的簡單系統(tǒng)到復(fù)雜系統(tǒng)，如汽車、火車、飛機、風機等，都能利用Simpack軟件進行模擬仿真。可以應(yīng)用到產(chǎn)品概念設(shè)計、詳細設(shè)計、試驗研究、故障診斷以及產(chǎn)品維護的全生命周期內(nèi)。

Simpack Rail軌道車輛解決方案是針對軌道-車輛動力學(xué)仿真開發(fā)的專用軟件。在全球范圍擁有廣泛的用戶群，主要的機車制造商、工程設(shè)計商、供應(yīng)商、運營商、高校和科研院所都在使用Simpack Rail。通過Simpack強大的建模功能和快速的計算速度能高效地預(yù)測和分析軌道車輛間的動力學(xué)性能，從而大大降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。Simpack Rail與行業(yè)合作伙伴之間的項目合作和大量的驗證試驗，保證了仿真的可靠性，同時也提供了在軌道交通行業(yè)應(yīng)用中的豐富經(jīng)驗。

二、Simpack Rail功能和優(yōu)勢

（1）車輛建模

Simpack Rail提供簡潔、易于使用的用戶界面用于創(chuàng)建任何類型的機車模型。從自動生成輪對或單獨車輪開始，用戶可以一步步地建立一個完整的車輛模型。豐富的建模單元（例如軸箱、彈簧、曲線數(shù)據(jù)甚至完整的轉(zhuǎn)向架）都很方便地從數(shù)據(jù)庫或用戶指定的模型中獲取。Simpack Rail模型能實現(xiàn)完全參數(shù)化。而且，由于Simpack所有的模塊都是兼容的，Rail用戶也能借鑒其它行業(yè)應(yīng)用的相關(guān)經(jīng)驗。

（2）線路建模

Simpack具有通用的工具用于建立任意的軌道線路。線路模型不僅包括軌道，而且還包括線路的不平順、線路的彈性及軌道子結(jié)構(gòu)。一條完整的線路可以利用標準庫中的單元（曲線的駛?cè)?、駛出、道岔等）和少量的參?shù)（如長度、半徑和超高）來定義。

（3）輪軌接觸

Simpack提供一系列高效的輪軌接觸模型。默認方式下，Simpack提供“約束接觸”，使用單點或多點接觸，可以考慮輪軌之間的高頻接觸振動，并能大大地提高計算速度。如果模擬車輪抬起工況，接觸模型會被轉(zhuǎn)換為“彈性接觸”。所有接觸模型都能用于沿長度變化的軌道，其中包含必要的道岔和護軌。

除了世界公認的專業(yè)算法，Simpack還提供一些其它算法用于計算接觸力。接觸摩擦力隨著接觸點的位置（縱向和橫向）和蠕變速度而變化。

車輪和軌道輪廓可以直接從Simpack標準庫或測量數(shù)據(jù)中獲取。

三、Simpack Rail在鐵路行業(yè)中的應(yīng)用

Simpack Rail可以處理所有的軌道與車輛之間耦合的動力學(xué)仿真問題，使用戶無論在時域還是在頻域中都能夠快速方便地分析所建的模型。

（1）轉(zhuǎn)向架設(shè)計和仿真

SimpackRail可建立詳細的轉(zhuǎn)向架模型，包含一系、二系懸掛、減振阻尼器等。能通過靜平衡分析、預(yù)載荷分析對轉(zhuǎn)向架模型進行“稱重”分析，使模型達到平衡狀態(tài)；能對轉(zhuǎn)向架進行不同工況的仿真，研究轉(zhuǎn)向架的性能，包括側(cè)向力、臨界速度等，獲得各部件的運動和受力曲線。

（2）軌道線路設(shè)計

使用Simpack能建立任意形狀的軌道曲線，包含線路平縱斷面的關(guān)鍵參數(shù)，如平面圓曲線半徑、圓曲線長度、豎曲線半徑、坡段長度等參數(shù)。使用Simpack動力仿真分析方法可以對鐵路線路參數(shù)進行了研究和分析，得到線路圓曲線最小長度、反向曲線夾直線最小長度、豎曲線最小半徑等關(guān)鍵參數(shù)的合理取值，能有效減少工程建設(shè)投入。

對線路線形方案進行動力學(xué)分析及評估，能優(yōu)化線路曲線，提高列車行駛舒適度。為鐵路線路參數(shù)標準的確定提供參考。

（3）軌道安全性分析

Simpack中建立車輛的多體動力學(xué)模型，在不同的軌道和不平順的激勵下，計算車輛以不同的速度通過曲線軌道時的脫軌系數(shù)和輪重減載率，分析其脫軌安全性。

（4）乘坐舒適性

列車的乘坐舒適性問題越來越受到重視，特別是對高速列車，如果振動過大，會產(chǎn)生非常不好的乘坐體驗。因此在列車研發(fā)過程中就可以使用Simpack Rail進行乘坐舒適性問題研究

在軌道中施加軌道譜，通過建立柔性車體，可以在車輛任意位置測量加速度，在后處理中通過過濾器對數(shù)據(jù)進行處理，進行EN12299舒適度分析，檢查仿真結(jié)果是否能滿足設(shè)計要求。

（5）輪軌磨耗分析

列車經(jīng)過長距離的行駛后，車輪和軌道都會產(chǎn)生一定的磨損，如果磨損量過大就會對行車舒適性甚至安全性產(chǎn)生影響，因此評估輪軌的磨耗量對研究列車行駛性能有重要影響。

Simpack Rail可預(yù)測鐵路車輪和鋼軌的磨損（材料去除）。它獲取接觸面位置和尺寸、接觸力和蠕動信息，并使用這些仿真結(jié)果預(yù)測在仿真運行期間從車輪或軌道上移除的材料量。對比經(jīng)過磨耗和滾動接觸疲勞后的幾何輪廓與原始設(shè)計的區(qū)別。

（6）車橋耦合

隨著列車運行速度的不斷提高，列車與橋梁之間的動力相互作用越來越受到重視，高速列車對橋梁結(jié)構(gòu)的動力作用很大，對高速鐵路橋梁進行車-橋耦合振動分析非常必要。將大型大跨度柔性橋梁應(yīng)用于高速鐵路后，由于高速鐵路高平順性、高舒適性、高穩(wěn)定性和高安全性的要求，其車－橋系統(tǒng)的動力性能變得至關(guān)重要。

采用Simpack和通用有限元軟件（如Abaqus）相結(jié)合的方法對橋梁進行車-橋耦合動力學(xué)和振動分析，能評價該橋在列車設(shè)計時速下車-橋系統(tǒng)的安全性和舒適性，研究結(jié)果可為同類橋梁的建設(shè)和管理提供技術(shù)資料。

（7）極端工況

Simpack可以對所建立的軌道車輛模型施加多種分析工況，分析車輛和軌道在不同場景下性能，常用的兩個事關(guān)安全性能的場景有地震和側(cè)風工況。

A．地震工況

我國地處環(huán)太平洋地震帶和地中海-喜馬拉雅地震帶交匯處，是世界上地震災(zāi)害最嚴重的國家之一。我國地震具有活動頻度高且具有強度大、震源淺、分布廣的特點。地震時軌道（包含高架橋軌道）的振動對行車安全有顯著的影響。高速鐵路行車密度大，運行速度高，高速列車一旦脫軌將造成嚴重的損失。

基于Simpack軟件建立軌道車輛耦合動力學(xué)仿真模型，通過輸入地震波激勵計算高速列車-軌道（橋梁）系統(tǒng)在軌道不平順激勵和橫向地震動作用下的響應(yīng)并能評估高速列車運行的安全性。研究在橫向地震荷載作用時，列車運行安全脫軌系數(shù)、輪重減載率、橫向輪軌力等安全指標與地震的強度和行車速度之間的關(guān)系，以及為保證列車運行安全，對不同設(shè)防烈度不同場地下行駛的列車進行限速的速度數(shù)值。

B．側(cè)風工況

側(cè)風擾動對于高速動車運行是一個十分重要的安全影響因素。在強勁的側(cè)向風作用下，列車所受到的側(cè)向氣動力和力矩有可能使列車橫擺超限、脫軌，甚至出現(xiàn)翻車和人員傷亡事故。因此，研究軌道在不同速度下抵御側(cè)風能力，對于列車的安全運行有著十分重要的指導(dǎo)意義。

利用Simpack軟件建立高速動車模型，在直線和曲線兩種工況下，著重分析走行部的動態(tài)行為安全性，如傾覆系數(shù)。側(cè)風擾動作用的主要載荷特征，可以根據(jù)EN14067確定。通過Simpack仿真分析，能研究不同軌道曲線、不同行駛速度、不同橫風速度情況下，分析列車受到的氣動力和氣動力矩對車體抗傾覆能力的影響，獲得不同軌道曲線下抵御側(cè)風速度的極限值。

四、Simpack Rail用戶

Simpack Rail是軌道-車輛行業(yè)標準的動力學(xué)仿真分析工具，在國內(nèi)外在擁有眾多的用戶。

主要的鐵路設(shè)計院、機車生產(chǎn)商以及鐵路相關(guān)的科研院所都在使用Simpack Rail進行軌道線路設(shè)計、車橋耦合、機車設(shè)計、新技術(shù)開發(fā)等工作，并取得顯著的成果。特別是在中國，Simpack Rail積累了豐富的仿真經(jīng)驗和技術(shù)知識，助推了中國鐵路行業(yè)技術(shù)的發(fā)展。

責任編輯：xj

原文標題：干貨分享 | 軌道交通仿真之Simpack Rail

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