基于柔性梁的受电弓/接触网动力学分析

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了弓网仿真的必要性和当前仿真现状，并着重探讨了使用Simbeam进行弓网分析的优势。Simbeam是Simpack软件中的前处理模块，可用于建立类似于有限元离散梁结构的三维弹性梁式模型，方便直观地构筑柔性体。文章还介绍了Simbeam的操作方法及其在弓网仿真中的应用，包括建立简化的受电弓模型和仿真结果展示。虽然该Demo模型进行了大量简化，但为后续进一步完善弓网仿真提供了指导。

1  弓网仿真概述

1.1 弓网仿真的必要性

为保证弓网间的稳定受流，受电弓的弓头滑板和接触网的接触压力要保证在一定范围内。对于弓网系统来说，接触力的变化幅度越小越好，受流就越稳定，动态性能就约好。当接触压力过小和接触电阻大时，弓网接触部分将产生大量的能耗和电热，严重时甚至造成离线；当接触压力过大时，接触线抬升量增大，会使接触线局部弯曲，引起疲劳损伤。

弓网动力学的主要任务就是抑制弓网间有害振动，确保受电弓的平稳受流，为列车告诉运行条件下弓网的结构选型和参数优化提供理论指导。

1.2 当前仿真现状

目前进行弓网动力学仿真，主要是使用Simpack和有限元软件刚柔耦合分析方法，例如，马果垒等工程师借助有限元软件和Simpack建立弓网刚柔耦合仿真平台，对受电弓参数进行了深入分析；王华伟利用CAD软件和有限元软件建立受电弓和接触网的实体模型，导入到Simpack中，建立受电弓和接触网的动力学仿真模型，分析了受电弓的基本动力学特性。

但是，这种建模仿真存在以下问题：

（1）使用有限元软件生成柔性体在Simpack软件中只能考虑其线性模态性能，无法准确模拟接触网高压线的非线性性能；

（2）在多体软件中，对有限元生成的柔性体进行接触仿真，仿真速度比较慢；

（3）生成的柔性体无法在Simpack中直接编辑，必须返回到有限元软件中编辑后并重新生成。

2 使用Simbeam进行弓网分析

先看一下使用Simbeam柔性梁建立弓网模型的仿真动画。动画中不断变化的箭头表示弓网之间接触力的大小和方向。

Simpack Simbeam为在Simpack软件中建立类似于有限元离散梁结构模型的前处理模块，使用此模块不需要有限元软件。使用Simbeam模块，用户可以交互式地建立三维弹性梁式结构，方便直观地构筑柔性体。该模块在建立Simpack模型前处理中可以直接使用，通常用于如车辆系统中的钢板弹簧、抗扭梁和风机中的叶片等部件建模。

目前，Simpack有Linear Simbeam和Nonlinear Simbeam两种类型，顾名思义，就是线性和非线性离散梁。而且从2018x版本，Nonlinear Simbeam开始支持PCM接触，这样就为弓网接触分析提供了条件。

Simpack软件提供的柔性体类型

Simbeam还用于绳索模型的仿真。

还可以用于传动轴的快速建模。

3 建立Simbeam的操作方法

Simpack中新建模型，把Body类型修改为Nonlinear SIMBEAM类型，然后输入下面的节点位置参数和节点的截面参数。

Simpack中表格参数（如SIMBEAM，Input Function等）支持与Excel中数据相互复 制&粘贴。在此模型中，因为输入的参数很多，手工输入很麻烦，可以现在Excel中编辑好数据，然后复 制到SIMBEAM表格中。Excel数据示意如下：

在进行SIMBEAM建模前，需要先建立SIMBEAM使用的材料和截面。

建立简化的受电弓模型，滑板与高压线之间施加199 PCM接触力元，参数设置如下。

建立后简化的模型如下图所示。

仿真结果如下图所示：

这个Demo模型主要是为了介绍如何使用Simbeam建立接触网，对实际模型进行了大量的简化，参数也没有参考实际数据设置，这些还都需要后续进一步工作来完善。

这个模型中滑板使用的是刚性体，后续也可以使用Simbeam建立滑板离散梁柔性体，使之与接触网进行接触仿真。