一种轮轨廓形全生命周期连续四维演化建模方法技术

本发明专利技术公开了一种轮轨廓形全生命周期连续四维演化建模方法，包括：基于轮轨设计资料构建标准轮轨离散体素化模型；基于非接触式二维激光位移传感器的不同服役周期内轮轨廓形数据采集；基于多体动力学仿真模型的不同服役周期内轮轨型面磨耗数据预测；将实测轮轨离散廓形数据/轮轨廓形仿真数据映射于标准轮轨离散体素化模型以得到轮轨体素化模型演化速度场；本发明专利技术提出的轮轨廓形全生命周期连续四维演化建模方法能够实现服役轮轨全生命周期的物理几何模型的连续演化，提供了轮轨服役过程形态的连续建模方法，能够有效阐释轮轨服役过程廓形演化机理，为轮轨廓形设计、优化等提供理论支撑，提升产品服役过程全生命周期物理性能及服役周期。能及服役周期。能及服役周期。

【技术实现步骤摘要】
一种轮轨廓形全生命周期连续四维演化建模方法


[0001]本专利技术涉及轨道车辆轮轨廓形建模
，具体涉及一种轮轨廓形全生命周期连续四维演化建模方法。

技术介绍

[0002]随着轨道交通车辆向高速、重载方向发展，轮轨廓形在服役过程中不可避免地会发生磨损，其接触关系会随着材料磨损的加剧而逐渐恶化。轮轨型面磨损不仅影响车辆运行稳定性、安全性及乘客舒适度，而且会显著增加车辆结构振动，提高轮轨噪声，缩短车辆关键部件使用寿命。
[0003]轮轨型面磨损是一个从标准轮廓逐渐到严重磨损轮廓的持续过程，在整个生命周期中轮轨型面的几何形状会连续变化；然而目前针对轮轨型面产品几何建模仍停留在静态、理想的二维或三维模型阶段，无法揭示轮轨型面产品几何形状和物理特性的动态演变过程。
[0004]而现有的轮轨型面产品几何建模方法无法实现轮轨廓形的连续演化建模，难以有效阐释轮轨服役过程物理性能演化机理。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的是提供一种轮轨廓形全生命周期连续四维演化建模方法，旨在解决现有的轮轨型面产品几何建模方法无法实现轮轨廓形的连续演化建模的问题。
[0006]本专利技术提出的技术方案为：
[0007]一种轮轨廓形全生命周期连续四维演化建模方法，包括：
[0008]基于轮轨设计资料构建标准轮轨离散体素化模型；
[0009]采用非接触式二维激光位移传感器采集轮轨表面在不同服役周期内的实测轮轨离散廓形数据；
[0010]基于车辆系统动力学模型、轮轨接触力学模型及轮轨材料接触磨损模型，获取轮轨服役周期内的廓形演化仿真数据；
[0011]基于实测轮轨离散廓形数据，构建轮轨实测模型演化速度场函数；
[0012]基于轮轨服役周期内的廓形演化仿真数据，构建轮轨仿真模型演化速度场函数；
[0013]基于标准轮轨离散体素化模型、轮轨实测模型演化速度场函数与轮轨仿真模型演化速度场函数，采用水平集编辑方法对服役轮轨离散体素化模型进行轮轨廓形连续四维演化。
[0014]优选的，所述基于标准轮轨离散体素化模型、轮轨实测模型演化速度场函数与轮轨仿真模型演化速度场函数，采用水平集编辑方法实现服役轮轨离散体素化模型的连续四维演化，之后还包括：
[0015]采用移动立方体算法实现连续四维演化后的服役轮轨离散体素化模型的几何建模及可视化表达。
[0016]优选的，所述基于轮轨设计资料构建标准轮轨离散体素化模型，包括：
[0017]基于轮轨设计资料，采用实体造型设计方法构建轮轨实体设计模型；
[0018]从轮轨实体设计模型中提取轮轨几何表面模型；
[0019]采用几何表面离散化方法基于轮轨几何表面模型构建标准轮轨离散体素化模型。
[0020]优选的，所述从轮轨实体设计模型中提取轮轨几何表面模型，包括：
[0021]选择轮轨实体设计模型的表面几何特征，通过三角网格离散化将轮轨实体设计模型的表面特征转换为三角网格表面模型；
[0022]所述采用几何表面离散化方法基于轮轨几何表面模型构建标准轮轨离散体素化模型，包括：
[0023]采用体素化方法将三角网格表面模型离散化为标准轮轨离散体素化模型，并计算标准轮轨离散体素化模型中每个体素顶点与三角网格表面模型的位置关系，计算公式为：
[0024][0025]式中，标准轮轨离散体素化模型中各体素顶点为p(x,y,z)，标准轮轨离散体素化模型内部为Ω，标准轮轨离散体素化模型外部为Ω
c
，标准轮轨离散体素化模型表面为且满足disp(p)＝min(|p
‑
p
I
|)，即min(|p
‑
p
I
|)为标准轮轨离散体素化模型中每个体素顶点与三角网格表面模型的最近距离；
[0026]针对标准轮轨离散体素化模型的数据，采用窄带方式赋予零水平集表面模型预设范围内的体素顶点为激活点，其余为非激活顶点；
[0027]采用稀疏动态OpenVDB数据结构存储标准轮轨离散体素化模型的顶点坐标和距离属性数据，以实现标准轮轨型面的体素离散化表达。
[0028]优选的，所述采用非接触式二维激光位移传感器采集轮轨表面在不同服役周期内的实测轮轨离散廓形数据，包括：
[0029]采用非接触式二维激光位移传感器连续采集服役轮轨表面的位移数据，以获取轮轨表面在不同服役周期内的轮轨离散廓形数据，其中，所述轮轨离散廓形数据包括轮轨廓形三维点云数据；
[0030]采用最近邻点对匹配方法调整实测轮轨廓形位姿，以实现不同坐标系下轮轨离散廓形数据的配准；
[0031]将配准后的轮轨离散廓形数据映射加载到所述标准轮轨离散体素化模型中以得到服役轮轨离散体素化模型。
[0032]优选的，所述采用最近邻点对匹配方法调整实测轮轨廓形位姿，以实现不同坐标系下轮轨离散廓形数据的配准，包括：
[0033]基于激光位移传感器坐标系与世界坐标系之间存在的旋转及平移关系，对轮轨离散廓形数据进行坐标转换，以实现不同坐标系下轮轨离散廓形数据的配准，其中，激光位移传感器坐标系与世界坐标系之间存在的旋转及平移关系的表述公式为：
[0034][0035]式中，M(mx,my,mz)为所述设计轮轨廓形数据，N(nx,ny,nz)为所述实测轮轨廓形三维点云数据，且所述表述公式由旋转变换矩阵R(α,β,γ)及平移向量t(t
x
,t
y
,t
z
)具体表示为：
[0036][0037]优选的，所述基于车辆系统动力学模型、轮轨接触力学模型及轮轨材料接触磨损模型，获取轮轨服役周期内的廓形演化仿真数据，之前还包括：
[0038]构建轮轨耦合的车辆系统动力学模型；
[0039]基于车辆系统动力学模型计算轨道车辆运行过程中的轮轨接触几何参数；
[0040]构建轮轨接触力学模型以计算轮轨服役过程中的局部接触参数；
[0041]根据轮轨接触材料的物理属性及轮轨接触力，构建轮轨材料接触磨损模型。
[0042]优选的，所述构建轮轨耦合的车辆系统动力学模型，包括：
[0043]获取轨道车辆的两轴转向架和车体的数量，以构建车辆系统动力学模型；
[0044]所述构建轮轨接触力学模型以计算轮轨服役过程中的局部接触参数，包括：
[0045]计算轮轨服役过程中轮轨法向接触力，计算公式为：
[0046][0047]式中，x,y为轮轨接触斑纵向坐标与横向坐标，a,b为椭圆接触斑半轴值；
[0048]采用Kalker简化理论Fastsim算法计算轮轨服役过程中的蠕滑力，计算公式为：
[0049][0050]式中，Δp
x
(x,y)与Δp
y
(x,y)分别是沿纵向与横向切向应力增量，表示为：
[0051][0052]式中，ξ
x
为纵向蠕滑率、ξ...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轮轨廓形全生命周期连续四维演化建模方法，其特征在于，包括：基于轮轨设计资料构建标准轮轨离散体素化模型；采用非接触式二维激光位移传感器采集轮轨表面在不同服役周期内的实测轮轨离散廓形数据；基于车辆系统动力学模型、轮轨接触力学模型及轮轨材料接触磨损模型，获取轮轨服役周期内的廓形演化仿真数据；基于实测轮轨离散廓形数据，构建轮轨实测模型演化速度场函数；基于轮轨服役周期内的廓形演化仿真数据，构建轮轨仿真模型演化速度场函数；基于标准轮轨离散体素化模型、轮轨实测模型演化速度场函数与轮轨仿真模型演化速度场函数，采用水平集编辑方法对服役轮轨离散体素化模型进行轮轨廓形连续四维演化。2.根据权利要求1所述的一种轮轨廓形全生命周期连续四维演化建模方法，其特征在于，所述基于标准轮轨离散体素化模型、轮轨实测模型演化速度场函数与轮轨仿真模型演化速度场函数，采用水平集编辑方法实现服役轮轨离散体素化模型的连续四维演化，之后还包括：采用移动立方体算法实现连续四维演化后的服役轮轨离散体素化模型的几何建模及可视化表达。3.根据权利要求1所述的一种轮轨廓形全生命周期连续四维演化建模方法，其特征在于，所述基于轮轨设计资料构建标准轮轨离散体素化模型，包括：基于轮轨设计资料，采用实体造型设计方法构建轮轨实体设计模型；从轮轨实体设计模型中提取轮轨几何表面模型；采用几何表面离散化方法基于轮轨几何表面模型构建标准轮轨离散体素化模型。4.根据权利要求3所述的一种轮轨廓形全生命周期连续四维演化建模方法，其特征在于，所述从轮轨实体设计模型中提取轮轨几何表面模型，包括：选择轮轨实体设计模型的表面几何特征，通过三角网格离散化将轮轨实体设计模型的表面特征转换为三角网格表面模型；所述采用几何表面离散化方法基于轮轨几何表面模型构建标准轮轨离散体素化模型，包括：采用体素化方法将三角网格表面模型离散化为标准轮轨离散体素化模型，并计算标准轮轨离散体素化模型中每个体素顶点与三角网格表面模型的位置关系，计算公式为：式中，标准轮轨离散体素化模型中各体素顶点为p(x,y,z)，标准轮轨离散体素化模型内部为Ω，标准轮轨离散体素化模型外部为Ω
c
，标准轮轨离散体素化模型表面为且满足disp(p)＝min(|p
‑
p
I
|)，即min(|p
‑
p
I
|)为标准轮轨离散体素化模型中每个体素顶点与三角网格表面模型的最近距离；针对标准轮轨离散体素化模型的数据，采用窄带方式赋予零水平集表面模型预设范围内的体素顶点为激活点，其余为非激活顶点；
采用稀疏动态OpenVDB数据结构存储标准轮轨离散体素化模型的顶点坐标和距离属性数据，以实现标准轮轨型面的体素离散化表达。5.根据权利要求1所述的一种轮轨廓形全生命周期连续四维演化建模方法，其特征在于，所述采用非接触式二维激光位移传感器采集轮轨表面在不同服役周期内的实测轮轨离散廓形数据，包括：采用非接触式二维激光位移传感器连续采集服役轮轨表面的位移数据，以获取轮轨表面在不同服役周期内的轮轨离散廓形数据，其中，所述轮轨离散廓形数据包括轮轨廓形三维点云数据；采用最近邻点对匹配方法调整实测轮轨廓形位姿，以实现不同坐标系下轮轨离散廓形数据的配准；将配准后的轮轨离散廓形数据映射加载到所述标准轮轨离散体素化模型中以计算实测轮轨廓形演化速度场。6.根据权利要求5所述的一种轮轨廓形全生命周期连续四维演化建模方法，其特征在于，所述采用最近邻点对匹配方法调整实测轮轨廓形位姿，以实现不同坐标系下轮轨离散廓形数据的配准，包括：基于激光位移传感器坐标系与世界坐标系之间存在的旋转及平移关系，对轮轨离散廓形数据进行坐标转换，以实现不同坐标系下轮轨离散廓形数据的配准，其中，激光位移传感器坐标系与世界坐标系之间存在的旋转及平移关系的表述公式为：式中，M(mx,my,mz)为轮轨设计廓形数据，N(nx,ny,nz)为实测轮轨廓形三维点云数据，且所述表述公式由旋转变换矩阵R(α,β,γ)及平移向量t(t
x
,t
y
,t
z
)具体表示为：7.根据权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘龙，易兵，沈欣，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：