1. 引言

车-线-桥耦合大系统是一个复杂的系统，结合有限元的子结构分析，在SIMPACK 中则采用较少的模态坐标即可完整描述轨道-桥梁大系统的变形状态，极大的提高了车-线-桥耦合大系统的计算效率；而 ANSYS 因 APDL 的参数化建模可以快速创建桥梁模型在大跨度桥梁，同时求解器的快速求解，在车线桥计算中得到广泛应用[。

 

本文通过 ANSYS-SIMPACK 联合仿真技术建立了多个车-线-桥动力学计算模型，并对比验证了其振动响应的差异，为车-线-桥动力学计算模型提供了多种建模思路

 

2. 理论模型

本文车-线-桥计算模型通过轮轨接触模型将车辆系统和轨道系统耦合起来，其中车辆系统为多刚体模型，轨道系统则通过 ANSYS 有限元模型子结构缩减分析，并结合 SIMPACK 提供的 FEMBS 接口生成弹性体，整个理论模型的建立流程如图 2.1 所示。

 

 

图 2.1 车-线-桥计算模型建立流程

 

2.1 车辆动力学模型

本文车辆多刚体模型由一个车体、两个构架及四个轮对组成，每个刚体考虑了横向运动、垂向运动、侧滚运动、摇头运动以及点头运动 5 个空间自由度，即每节车辆模型包含有 35 个自由度。为提高车辆建模效率，SIMPACK 计算模型采用子模型建模思路，即车辆模型调用转向架系统子模型，转向架系统模型调用轮对子模型的方式。

 

图 2.2(a) 为创建完成的车辆模型，(b) 为车辆系统的拓扑图，可以清晰地看

到子模型建模的便捷性。

 

 

(a) 车辆模型

 

(b) 车辆系统拓扑图

图 2.2 车辆系统动力学模型

 

2.1 轨道基础模型

本文的轨道基础模型主要由钢轨、扣件、桥梁基础等组成，钢轨有限元模型均采用 Beam188 梁单模拟，扣件则简化为弹簧-阻尼单元。而桥梁模型则采用两种模型——一个是采用 Beam188 梁单元，另外一个则使用实体单元。

 

如图 2.3 所示为钢轨梁单元有限元模型所采用的 Rail60 截面，进行模态分析可以得到固有频率和模态振型，如图 2.4 为钢轨梁单元模型的前 6 阶振型；钢轨主节点则选取梁上的节点。图 2.5 为桥梁截面，采用 Beam188 梁单元建立桥梁有限元模型，桥梁模型的主节点即选择梁上的节点即可。

 

 

图 2.3 Rail60 钢轨截面和图 2.5 桥梁截面

图 2.3 Rail60 钢轨截面 图 2.5 桥梁截面

 

 

图 2.4 钢轨的模态振型

 

图 2.5 所示为桥梁实体有限元模型，在桥梁上选择钢轨连接点，如图 2.6 所示，将这些连接点的自由度进行释放，模态分析后实体桥梁的主要模态振型如图2.7 所示。

 

 

图 2.5 桥梁实体有限元模型

 

 

图 2.6 桥梁有限元模型主节点

 

 

图 2.7 实体桥梁模态振型

 

（1） 桥梁梁单元基础模型

在 SIMPACK 中为了实现弹性轨道基础和车辆系统的耦合，需要建立钢轨弹性体*.ftr 文件，并通过 C++程序批量创建钢轨的节点，如图 2.8 所示为钢轨弹性基础模型。

 

 

图 2.8 钢轨弹性基础模型及节点

 

采用 Beam188 建立的桥梁模型则以弹性体 *.fbi 文件的方式加载至SIMPACK 中。为了与钢轨上的两排钢轨节点连接，方便用弹簧-阻尼单元简化模拟钢轨和桥梁之间的连接（由于主要关注桥梁的振动响应，因此对钢轨与桥梁之间的轨枕、轨道板等做简化处理），创建出于桥梁主节点连接的两排节点，如图2.9 所示，这些衍生出来的节点将与之前批量创建的钢轨弹性体节点一一连接。

 

 

图 2.9 桥梁模型及其衍生节点

 

对于钢轨与桥梁之间的扣件连接作用，同样可以通过 C++程序批量连接作用力元，其刚度、阻尼值则按照扣件的参数值进行设。批量创建完成的钢轨-桥梁力元如图 2.10 所示。

 

 

图 2.10 钢轨-桥梁连接力元

 

（2） 桥梁实体单元模型

除了（1）中弹性轨道基础*.fbi 文件加载的建模方式外，还可以直接将整个轨道基础部件均在*.ftr 文件中进行连接。弹性基础*.ftr 文件中的设置大致如下：

 

 

 

在 SIMPACK 中加载完成的*.ftr 文件，级可以导入弹性基础模型，如图 所示

 

 

图 2.11 钢轨-桥梁连接力元

 

3. 基础振动响应

图 2.12(a)、(b)分别为按照该 2 节(1)中创建的梁单元车-线-桥模型和(2)实体桥梁模型的振动响应云图，图 2.13 的(a)、(b)则分别为对应模型的钢轨变形量?？梢钥吹酵ü?Beam188 梁单元创建的梁模型中钢轨变形量为 4.03264mm，而实际考虑的实体单元模型其钢轨变形量则为 3.89811mm。出现如此差异的主要原因是采用 Beam188 梁单元模拟的模型中，所有钢轨连接至桥梁的虚拟衍生点上，其本质上仍是直接连接到桥梁的中心线上，而实体单元模型中，则由于钢轨布置在模型的一侧，存在一定距离，刚度要比梁模型较大，因此其钢轨变形量也相应较小，但是两者差异可以接受。

 

 

(a) Beam188

 

 

(b) Solid

图 2.12 车-线-桥耦合模型振动响应云图

 

 

(a) Beam188

 

 

(b) Solid

图 2.13 车-线-桥耦合模型钢轨变形量

 

4. 结论

本文基于 ANSYS-SIMPACK 联合仿真技术，对比分析了桥梁在 ANSYS 中采用梁单元、实体单元时的系统动力学响应差异，计算结果表明两者计算模型的响应差异较小为 ANSYS-SIMPACK 联合仿真技术在车-线-桥耦合系统的仿真求解提供了多种实现思路。

 

资料来源：达索官方