车-线-桥刚柔耦合动力学建模方法

摘要

本文概述了列车-轨道-桥梁耦合作用的有限元模型建立流程，涉及Hypermesh、Abaqus和Simpack等软件操作。首先，在Hypermesh中构建几何模型并划分网格，导出inp文件；随后，在Abaqus中计算频率与子结构并导出.sim文件；再于Simpack中创建fbi与ftr文件，建立弹性体与轨道；最后，建立全刚体车辆模型并设置力元完成模型搭建。文章强调模型位置摆放的重要性，并提供了应力变化的可视化，但未深入模态计算与力元参数细节。

正文

前言

在列车运行的过程中，会经过各种类型的桥梁。从动力学角度来看，对于桥梁来说，列车载荷作为一种激励作用在桥梁上，引起桥梁的振动；而桥梁振动产生的动力响应通过轨道又传到列车上，进而影响到列车的振动，两者相互影响，时刻耦合在一起，这就是车-线-桥耦合作用。本文仅仅是从软件操作上说明此类模型的建立方法。

1. 建立有限元模型（软件：Hypermesh(Abaqus求解器)）

单位制：在做Abaqus与Simpack联合仿真时，因为在Simpack中长度单位为m，所以在Hypermesh中，长度单位也要为m，则密度单位为kg/m3，力单位为N，质量单位为kg，弹性模量单位为pa。  

(1)建立几何模型  

可以在三维软件中建立，如有现成三维模型，可直接导入Hypermesh中。导入三维模型后，通过translate、rotate命令调整模型放置位置，使模型坐标符合铁路坐标规则。创建坐标原点，把弹性轨道的起始点放在原点处。在Simpack中，Z方向的原点是在轨面上，因此需要把钢轨最高点放在Z=0上(由于删除了三维模型，这里用有限元模型来说明)，见图1。模型的摆放位置特别重要，一定要把这一步做好！！

图1 模型的摆放位置

(2)网格划分  

图2 力元位置节点重合

(3)各弹性体主节点的选取  

在Simpack中，要使用子结构的一些节点来创建力元，因此需要选取一些节点来生成子结构。主节点的选取原则：创建力元位置的节点必须选取，表征弹性体主体结构的节点必须选取。图3-图6分别为桥墩、箱型梁、浮置板、钢轨的主节点。

图3 桥墩主节点

图4 箱型梁主节点

图5 浮置板主节点

图6 钢轨主节点

(4)各弹性体inp文件导出  

以导出浮置板为例：打开Export Solver Deck，Export类型选择Custom，再点击“SelectEntities”，选择与导出弹性体相关的属性（部件、材料、属性、主节点），最后单击“Export”，导出完成，生成弹性体inp文件，见图7。

图7 inp文件导出

2. 计算弹性体频率和子结构（软件：Abaqus）  

导入inp文件，计算各弹性的模态和子结构，模态计算设置很常见，这里不展开，重点说一下子结构的计算。以计算浮置板为例，按图8设置子结构分析步。

图8 子结构分析步的设置

然后创建边界条件，保留主节点上的所有自由度，见图9。

图9 保留主节点自由度

最后提交计算，查看结果，最终需要的是子结构.sim文件（后续生成fbi文件需要）。

3. 建立动力学模型（软件：Simpack）  

(1)生成fbi文件  

在Simpack软件中，选择各个弹性的inp文件和对应的sim文件，按图10所示设置生成各自的fbi文件。

图10 生成弹性体fbi文件

(2)书写ftr文件  

该部分较难，可参考文献《城市轨道交通振动模型及减振分析》来进行ftr文件的编写，见图11。

图11  ftr文件语法规则

按照语法规则编写ftr文件，图12为该文件的部分内容。

图12  编写的ftr文件

(3)创建弹性体  

首先把所有的fbi文件放在database中（除Rail.fbi），设置fbi文件搜索路径，否则在创建Body时，找不到fbi文件，见图13。

图13 搜索路径设置

在轨道文件夹mbs_db_flextrack中，创建一个文件夹，把Rail.fbi和ftr文件放入这个文件夹中（特别注意：ftr文件的名称要与它所处文件夹一样的名称）  

创建桥墩body，Type选择“Linear flexible”,在“Database”中选择fbi文件，Apply一下，见图14。

图14 弹性文件的导入

fbi文件导入后，质量、惯量属性自动填入。选择模态阶数，见图15。该界面的具体参数意义可参考帮助文档。

图15 选择参与计算模态

在节点（就是在Hypermesh中设置的主节点）处生成Marker点。选择“At node”，Generate一下即可，见图16。

图16 弹性体上Marker点的生成

设置Body的铰接，比如桥墩固结在大地上，见图17。注意：在Simpack中，坐标原点在初始点，此时有限元中的坐标原点（见图1）已经不是Simpack中的坐标原点，所以铰接位置要根据弹性轨道的开始位置计算好。

图17 桥墩铰接的设置

创建箱型梁、浮置板Body采用相同的方法，只是这两个的铰接是采用25号铰，具有6个自由度，见图18。

图18 箱型梁铰接的设置

(4)创建弹性轨道  

在创建弹性轨道时，Type选择“Nonlinear Flextrack”，选择创建的ftr轨道文件，Apply一下，见图19。

图19 弹性轨道的导入

在ftr文件中定义的节点会显示出来，见图20。

图20 ftr文件中定义的节点

弹性轨道的铰接，是固结在大地上，见图21。

图21 弹性轨道的铰接

(5)建立全刚体的车辆模型  

与传统建模方式一样，此处省略不表。  

(6)设置力元  

箱型梁与桥墩、浮置板与箱型梁之间才有5号力元，见图22。

图22 箱型梁与桥墩、浮置板与箱型梁之间的连接

弹性轨道与浮置板采用43号力元模拟扣件力（主要是需要用到防侧滚刚度，如果不设置防侧滚刚度，计算会中止报错），见图23。  

图23 弹性轨道与浮置板之间的连接

这样就完成了所有的车、线、桥模型搭建。因为是弹性体，通过相应的设置还可以查看在运动过程中，各弹性体的实时应力变化，见图24。由于篇幅有限，以后有时间再来整理。

图24 箱型梁的实时应力变化