Simpack Rail为铁路安全行驶保驾护航利用

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了Simpack Rail软件在轨道车辆动力学仿真分析中的应用，涵盖了脱轨安全性、乘坐舒适性、轮轨磨耗分析、车桥耦合振动、极端工况（如地震和侧风）下的性能评估等方面。Simpack Rail能有效预测和分析列车在不同条件下的性能，为铁路设计、机车生产和技术开发提供重要支持。该软件在国内外铁路行业有广泛应用，并在中国积累了丰富的仿真经验和技术知识，推动了铁路行业技术的发展。

3月30日，一辆由济南开往广州的T179次客车在湖南永兴段发生事故。列车撞上铁轨上的塌方体，发电车起火，5节车厢脱轨侧翻……

据郴州市应急管理局通报，本次事故造成1人死亡、4人重伤、123人轻伤。

针对T179次列车脱轨事故，目前已成立由国家铁路局广州铁路监督管理局为组长单位，郴州市人民政府为副组长单位，湖南省交通运输厅、湖南省应急管理厅等为成员的事故调查组，对事故原因及公众关注的相关问题进行全面深入调查，调查处理结果将及时向社会公布。

无独有偶，美国当地时间2017年12月18日美国华盛顿州一列14节的美铁（Amtrak）客运火车发生脱轨，部分车厢砸到高架桥下的公路上，事故现场惨烈，造成多人死亡，此外还有数十人受伤送医。据悉，列车发生事故时运行在一条启用第一天的新线路上。

据美国媒体报道，本次发生意外的路线属于耗资8亿美元（约合53亿人民币）的高铁项目Cascades High-Speed Rail Capital Program中的一部分，旨在为民众提供更多、更快、更可靠的服务。这条铁路线早于本年1月及2月完成测试，行车最高速度为时速约每小时127公里，列车出事时速度为每小时130公里(另有消息说运行速度在70-90英里每小时，112-144公里每小时之间）。

二、脱轨分析和脱轨系数

式中：

Q 表示作用在车轮上的横向力
P 表示作用在车轮上的垂向力
μ 表示轮缘处的摩擦系数
α 表示最大轮缘接触角

国际铁路联盟UIC规定：Q/P≤1.2

我国制定的防止脱轨稳定性的评定标准见下表，表中的第一限度为合格标准，第二限度为增大了安全裕度的标准。

防止脱轨稳定性的评定标准（GB5599-85）

Q/P=0.9 合格

《高速铁路设计规范（试行）》（TB 10621-2009)规定脱轨系数为：

Q/P≤0.8

注：脱轨系数越大越容易脱轨。

三、利用仿真技术分析脱轨系数

四、Simpack Rail 轨道交通行业专题培训

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四、写在后面

1、Simpack软件及Rail模块简介

Simpack是专家级机电系统运动学/动力学仿真分析软件，是世界上第一款采用完全递归算法、利用相对坐标系建立模型的多体动力学软件。

2、线路建模

Simpack具有通用的工具用于建立任意的轨道线路。线路模型不仅包括轨道，而且还包括线路的不平顺、线路的弹性及轨道子结构。一条完整的线路可以利用标准库中的单元（曲线的驶入、驶出、道岔等）和少量的参数（如长度、半径和超高）来定义。

3、轮轨接触

Simpack提供一系列高效的轮轨接触模型。默认方式下，Simpack提供“约束接触”，使用单点或多点接触，可以考虑轮轨之间的高频接触振动，并能大大地提高计算速度。如果模拟车轮抬起工况，接触模型会被转换为“弹性接触”。所有接触模型都能用于沿长度变化的轨道，其中包含必要的道岔和护轨。

除了世界公认的专用算法，Simpack还提供一些其它算法用于计算接触力。接触摩擦力随着接触点的位置（纵向和横向）和蠕变速度而变化。

车轮和轨道轮廓可以直接从Simpack标准库或测量数据中获取。

4、Simpack Rail主要应用

Simpack Rail可以处理所有的轨道与车辆之间耦合的动力学仿真问题，使用户无论在时域还是在频域中都能够快速方便地分析所建的模型。

（1）轨道线路设计

使用Simpack能建立任意形状的轨道曲线，包含线路平纵断面的关键参数，如平面圆曲线半径、圆曲线长度、竖曲线半径、坡段长度等参数。使用Simpack动力仿真分析方法可以对铁路线路参数进行了研究和分析，得到线路圆曲线最小长度、反向曲线夹直线最小长度、竖曲线最小半径等关键参数的合理取值，能有效减少工程建设投入。

对线路线形方案进行动力学分析及评估，能优化线路曲线，提高列车行驶舒适度。为铁路线路参数标准的确定提供参考。

（2）轨道安全性分析

Simpack中建立车辆的多体动力学模型，在不同的轨道和不平顺的激励下，计算车辆以不同的速度通过曲线轨道时的脱轨系数和轮重减载率，分析其脱轨安全性。

（3）乘坐舒适性

列车的乘坐舒适性问题越来越受到重视，特别是对高速列车，如果振动过大，会产生非常不好的乘坐体验。因此在列车研发过程中就可以使用Simpack Rail进行乘坐舒适性问题研究

在轨道中施加轨道谱，通过建立柔性车体，可以在车辆任意位置测量加速度，在后处理中通过过滤器对数据进行处理，进行EN12299舒适度分析，检查仿真结果是否能满足设计要求。

（4）轮轨磨耗分析

列车经过长距离的行驶后，车轮和轨道都会产生一定的磨损，如果磨损量过大就会对行车舒适性甚至安全性产生影响，因此评估轮轨的磨耗量对研究列车行驶性能有重要影响。

Simpack Rail可预测铁路车轮和钢轨的磨损（材料去除）。它获取接触面位置和尺寸、接触力和蠕动信息，并使用这些仿真结果预测在仿真运行期间从车轮或轨道上移除的材料量。对比经过磨耗和滚动接触疲劳后的几何轮廓与原始设计的区别。

（5）车桥耦合

随着列车运行速度的不断提高、车辆载重的不断加大，列车与桥梁的动力相互作用问题越来越受到人们的重视。一方面，高速运行的列车会对其通过的桥梁结构产生大的动力冲击作用，使之发生振动，直接影响其工作状态和使用寿命；另一方面，桥梁的振动又会对运行列车的平稳性和安全性产生影响，严重时甚至造成行车安全等重大事故。因此，需要对车-桥系统的耦合振动进行系统综合研究，以便正确评估桥梁动力性能和桥上运行列车的走行性，确定它们在各种状态下的运行可靠性，是现代高速、重载铁路桥梁设计的实际需要。

采用Simpack和通用有限元软件（如Abaqus）相结合的方法对桥梁进行车-桥耦合动力学和振动分析，能评价该桥在列车设计时速下车-桥系统的安全性和舒适性，研究结果可为同类桥梁的建设和管理提供技术资料。

（6）极端工况

Simpack可以对所建立的轨道车辆模型施加多种分析工况，分析车辆和轨道在不同场景下性能，常用的两个事关安全性能的场景有地震和侧风工况。

A、地震工况

我国地处环太平洋地震带和地中海-喜马拉雅地震带交汇处，是世界上地震灾害最严重的国家之一。我国地震具有活动频度高且具有强度大、震源浅、分布广的特点。地震时轨道（包含高架桥轨道）的振动对行车安全有显著的影响。高速铁路行车密度大，运行速度高，高速列车一旦脱轨将造成严重的损失。

基于Simpack软件建立轨道车辆耦合动力学仿真模型，通过输入地震波激励计算高速列车-轨道（桥梁）系统在轨道不平顺激励和横向地震动作用下的响应并能评估高速列车运行的安全性。研究在横向地震荷载作用时，列车运行安全脱轨系数、轮重减载率、横向轮轨力等安全指标与地震的强度和行车速度之间的关系，以及为保证列车运行安全，对不同设防烈度不同场地下行驶的列车进行限速的速度数值。

B．侧风工况

侧风扰动对于高速动车运行是一个十分重要的安全影响因素。在强劲的侧向风作用下，列车所受到的侧向气动力和力矩有可能使列车横摆超限、脱轨，甚至出现翻车和人员伤亡事故。因此，研究轨道在不同速度下抵御侧风能力，对于列车的安全运行有着十分重要的指导意义。

利用Simpack软件建立高速动车模型，在直线和曲线两种工况下，着重分析走行部的动态行为安全性，如倾覆系数。侧风扰动作用的主要载荷特征，可以根据EN14067确定。通过Simpack仿真分析，能研究不同轨道曲线、不同行驶速度、不同横风速度情况下，分析列车受到的气动力和气动力矩对车体抗倾覆能力的影响，获得不同轨道曲线下抵御侧风速度的极限值。

(7) Simpack Rail用户

Simpack Rail是轨道-车辆行业标准的动力学仿真分析工具，在国内外在拥有众多的用户。

主要的铁路设计院、机车生产商以及铁路相关的科研院所都在使用Simpack Rail进行轨道线路设计、车桥耦合、机车设计、新技术开发等工作，并取得显著的成果。特别是在中国，Simpack Rail积累了丰富的仿真经验和技术知识，助推了中国铁路行业技术的发展。