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基于CS技术高速列车-轨道-桥梁系统空间耦合振动分析软件

时间:2019-11-28     发布者:     浏览次数:14次


一:建设目标

  • 编写目的

编制车桥耦合振动分析软件是进行车桥耦合振动相关研究的基础,传统的车桥耦合动力分析软件是根据车桥耦合系统动力方程和轮轨关系并结合相关的软件平台编制。传统的车桥耦合动力分析软件存在不可视化、封闭性和不便于考虑车桥耦合系统中的非线性等局限性。为此开发了本软件《基于CS技术高速列车-轨道-桥梁系统空间耦合振动分析软件》(SIMPACK and OpenSees cosimulatinghigh-speed Train-Track-Bridge spacing coupling vibration system,简称SOTTB软件)。


基于多体动力学软件SIMPACK和有限元软件OpenSees(Open System for Earthquake EngineeringSimulation),搭建高速列车-轨道-桥梁耦合振动计算平台,实现SIMPACK和OpenSees之间的数据交互,结合两类不同软件的优势,克服了传统编制软件进行车桥耦合振动分析的缺点。多体动力学软件SIMPACK能够快速的建立精细的高速列车模型,充分的考虑车辆模型中的非线性因素;有限元软件OpenSees具有丰富的非线性材料库和单元库以及强大的非线性分析功能,能够方便考虑车桥耦合系统中桥梁在地震作用下的非线性行为。同时,鉴于商业软件SIMPACK和开源有限元软件OpenSees两者的特点,本软件具有开放性、开源和通用性以及可视化等优点。


  • 编写背景


开发者:中南大学土木工程学院国巍、李君龙共同自主开发。
用户:软件面向用户为高速铁路工程中的桥梁设计工程师,从事铁路结构抗震安全方向及铁路列车行车平稳性、安全性方向的科学研究人员。
软件要求:多体动力学软件SIMPACK、有限元软件OpenSees和MATLAB。


二:总体设计

  • 需求规定

高速列车-轨道-桥梁耦合系统的输入参数包括:

(1)车辆参数:车体、转向架、轮对的质量与转动惯量;一、二系悬挂系统的刚度与阻尼。

(2)轨道参数:轨道结构各组成部分的几何尺寸、质量、转动惯量和刚度等信息参数。

(3)桥梁参数: 桥梁的几何尺寸、质量、配筋等信息参数。

(4)地震动参数:根据结构频率、阻尼比、设防等级、场地类别和分组选取的地震波时程。

(5)轨道不平顺参数:定义功率谱密度(PSD)所需参数;

(6)列车运行时速。


高速列车-轨道-桥梁耦合系统的输出参数包括:


(1)桥梁自振频率及振型;

(2)不同时速下桥梁跨中位移振幅峰值、加速度振幅峰值;

(3)不同时速下车辆加速度峰值;

(4)不同时速下SPERLING指标(列车运行平稳性指标);

(5)不同时速下的脱轨系数、轮重减载率、轮对横向力(列车运行安全性指标)。


软件计算要求所有参数统一采用国际单位制,精确到小数点后两位,数据类型为双精度字符和矩阵形式。在计算过程中,可依据计算输出精度的需求调整计算变量,从而提高软件运行的精确性与效率。


  • 基本设计概念和处理流程


软件计算模型主要包括三个模块,上部结构子系统、下部结构子系统、MATLAB联合仿真模块:


(1)上部结构子系统,利用SIMPACK建立车辆模型、双块式无砟轨道模型和线弹性梁体模型构成上部结构子系统,同时考虑了轮轨相互作用以及梁轨相互作用。在上部结构子系统中,可输入轨道不平顺激励以及地震激励。

(2)下部结构子系统,利用有限元软件OPNESEES建立纤维桥墩模型和支座模型构成下部结构子系统。在地震荷载作用下,桥梁的梁体通常保持弹性,而桥墩和支座容易进入弹塑性状态,因此在上部结构子系统中建立线弹性梁体模型,在下部结构子系统中建立支座模型和纤维桥墩模型,考虑桥墩与支座的非线性行为。同时,基于Client-Server模式的技术将OpenSees 改造为服务器,实现“计算服务器”的功能。

(3)MATLAB联合仿真模块。首先,通过在MATLAB中调用SIMAT模块,可实现SIMPACK与MATLAB的联合仿真;其次,在MATLAB中编写OpenSees.m(S函数),可实现实现OpenSees与MATLAB数据交换的。


用户根据研究对象或者研究需求在SIMPACK中创建由车辆、轨道、梁体组成的上部结构子系统;在OpenSees中创建由桥墩和支座组成的下部结构子系统。上、下部结构子系统以支座上节点为边界,基于边界处的力的平衡和位移协调条件通过边界处的数据交互实现两者耦合计算。
用户根据自己的研究需求在SIMPACK中创建输入和输出接口。创建输入接口以接受下部结构子系统传递的位移实现边界的强迫振动,创建输出接口以将边界处的荷载传递至下部结构。
三个模块的具体处理流程可参考图 1、图2、和图3,图4为软件结构示意图。
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三:接口设计

  • 用户接口

用户根据自己的研究需求在SIMPACK中创建输入和输出接口。在边界处创建移动的标记,通过输入接口控制移动标记的移动,输入接口接受下部结构子系统传递的位移,实现边界的强迫振动;创建输出接口以将边界处的荷载传递至下部结构。输入接口传入数据由输入向量读取。

  • 外部接口


输出结果为.sbr文件与.m文件,分别可用SIMPACK 后处理软件和 MATLAB软件打开。


  • 内部接口


软件各部分按照图4 中所示方式调用,调用参数均为双精度字符。


四:运行设计

  • 运行模块组合


用户根据研究对象在多体动力学软件SIMPACK中建立车辆、轨道和梁体模型并创建输入、输出传参接口,作为上部机构子系统;在有限元软件OpenSees中建立桥墩和支座有限元模型,作为下部结构子系统。在MATLAB中添加多体动力学软件联合仿真模块SIMAT所在路径,在MATLAB中输入SIMAT命令以打SIMULINK同时调用多体动力学软件联合仿真模块SIMAT,SIMAT是SIMPACK与MATLAB的接口之一,可以实现MATLAB与SIMPACK的实时数据交换。同时,在SIMULINK中调入OpenSees.m文件,OpenSees.m文件用以实现MATLAB与OpenSees的数据交换。建立SIMAT和OpenSees.m文件的连接以实现多体动力学软件SIMPACK和有限元软件OpenSees之间的数据交互。


  • 运行控制


配置软件进行运算时,多体动力学软件SIMPACK和有限元软件OpenSees会根据计算情况不同会出现不同的提示,如果输入参数或者软件配置存在错误,两者都会给出错误的提示。如果参数正确无误且计算满足精度要求,则软件提示计算结束。


五:系统数据结构设计

  • 逻辑结构设计要点


软件当中计算步定义为整数形式,其他参数均定义为双精度字符数,表示变化过程的参数均用矩阵形式存储。各个计算模块的耦合和调用都使用双精度字符数参数的格式进行。调用过程的中间参数存储为txt文本文档格式。


  • 物理结构设计要点


本系统的基于SIMPACK前处理界面,通过输出结果设置,可以选择输出数据。输出文件可为SIMPACK 二进制结果文件(.sbr 文件),MATLAB数据文件(.mat文件)。


  • 数据结构与程序的关系


使用MATLAB打开后缀名为.mat的文件,或者使用SIMPACK后处理软件打开后缀为.sbr的文件。








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