数字成就“中国速度”｜Simpack助力中国铁路创新发展

Simpack Rail提供简洁、易于使用的用户界面用于创建各种类型的机车模型。从生成轮对或独立车轮开始，用户可以一步步地建立一个完整的车辆模型。丰富的建模单元（例如轴箱、弹簧、轮轨踏面甚至完整的转向架）都很方便地从数据库或用户指定的模型中获取。Simpack Rail模型能实现完全参数化，方便进行优化设计（DOE）或最优化。Simpack所有的模块都相互兼容，Rail用户也能借鉴其它行业应用的相关经验。

Simpack具有专业的建模工具用于建立任意形状的轨道线路。线路模型不仅包括轨道布局，还包括线路的不平顺性、柔性线路以及轨下结构。

线路建模有制图（输入参数）和测量（输入测量文件）两种方法，并能通过施加激励定义线路的轨道谱。

Simpack Rail还具有柔性轨道（Flextrack）建模和仿真功能，支持线性和非线性柔性轨道模型。通过该功能，可以进行详细轨道性能分析、道岔分析、车桥耦合性能分析等。

Simpack提供一系列高效的轮轨接触算法。默认方式下，Simpack使用标准的“等效接触”法，使用单点或多点接触，考虑轮轨之间的高频接触振动，并能大大地提高求解速度。如果模拟车轮抬起工况，Simpack使用高级的“离散接触”法，能实现接触班可视化，查看接触应力云图。Simpack轮轨接触模型还能用于沿长度变化的轨道线路仿真，包含道岔。

轮轨接触中可以设置摩擦特性，并能考虑摩擦力随接触点的位置（纵向和横向）和蠕变速度的变化而变化。车轮和轨道踏面可以直接从Simpack标准库或测量数据中获取。

应用领域

Simpack Rail可建立详细的转向架模型，包含一系、二系悬挂、减振阻尼器等部件。能通过静平衡分析、预载荷分析对转向架模型进行“称重”分析，使模型达到平衡状态；能对转向架进行不同工况的仿真，获得各部件的运动和受力曲线，研究转向架的性能，包括垂向力、侧向力以及临界速度等。

在Simpack Rail中能建立任意形状的轨道线路，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可以对线路设计参数进行研究和分析，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，能优化线路布局，提高列车行驶舒适度，为铁路线路参数的确定提供参考。

Simpack中建立的车辆模型，在不同的轨道线路和轨道谱上行驶，获得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等数据，评估其脱轨安全性。

轨道车辆的乘坐舒适性问题越来越受到关注，特别对于高速列车，振动过大会产生非常不好的乘坐体验。使用Simpack Rail可以仿真并评估轨道车辆的乘坐舒适性问题。

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

轨下部件的性能直接影响轨道的性能，从而会对轨道车辆行驶性能产品影响。通过有限元软件建立轨下部件的有限元模型，导入到Simpack Rail中，生成刚柔耦合模型，仿真并分析轨道车辆行驶过程中轨下部件的变形、受力及振动等特性，评估其性能对轨道以及对车辆行驶的影响。例如，研究钢轨扣件对于道床的减振性能。

轨道车辆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显著影响，因此评估轮轨的磨耗量对研究轨道车辆行驶性能有实际意义。

Simpack Rail能预测车轮和钢轨的磨损量（材料去除）。通过获取轮轨接触面位置和尺寸、接触力和蠕变信息，预测行驶经过此路程后车轮或轨道的磨耗数据。

我国高速铁路线路中桥梁占比非常高，车桥耦合性能对铁路列车运行的影响日益突出，我国《高速铁路设计规范》中明确要求进行车桥耦合动力学响应分析和列车-桥梁耦合振动分析。

采用Simpack Rail和有限元软件相结合的方法建立车桥耦合模型，对轨道车辆以设计时速经过该桥梁工况进行仿真，评估车桥耦合系统的安全性和舒适性，验证桥梁是否能满足车辆的行驶要求，研究结果可为同类桥梁的建造和管理提供技术资料。

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。

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。

Simpack作为通用的仿真软件，能用于单轨和磁浮轨道车辆的建模和仿真，其中胶轮式单轨机车建模，需要借助Simpack Automotive模块的轮胎建模功能。

对于磁浮车辆，除了常规的动力学分析之外，还能结合Simpack Reatime实时仿真模块，建立磁浮车辆硬件在环实时仿真平台，更加准确地对车辆进行性能评估。

限界是指为了确保机车车辆在铁路线路上运行的安全，防止机车车辆撞击邻近线路的建筑物和设备，而对机车车辆和接近线路的建筑物、设备所规定的不允许超越的轮廓尺寸线。使用Simpack可以对所建立的机车模型和建筑物之间进行多种限界分析，包括车体与隧道之间最小距离测量、使用标记点进行限界分析、框架的限界分析、使用扫掠包络进行限界分析等，预测间隙数据，为机车行驶安全提供保障。

除了上述分析外，使用Simpack还可以对弓网系统进行分析。随着列车运行速度的不断提高，接触网和受电弓之间的动态接触变得越来越复杂，通过Simpack研究弓网系统的动态特性，模拟不同运行速度下的弓网振动和接触压力响应，以及机车运行振动对受流的影响。

通过Simpack还能分析紧急制动工况下车辆停车距离并观察轮轨接触性能，获得最小的停车距离、减速曲线、制动时车轮滑移情况、牵引控制系统耦合等结果。

总结