一种基于流固耦合的受电弓与隧道耦合效应研究方法技术

本发明专利技术公开了一种基于流固耦合的受电弓与隧道耦合效应研究方法，涉及空气动力学与多体动力学交叉技术领域，包括：建立与流固耦合方法匹配的包含车体的受电弓的空气动力学计算模型；建立与流固耦合方法匹配的受电弓的多体动力学模型；利用双时间步时间推进法，开展明线运行耦合计算和隧道通过耦合计算；通过对比分析明线运行工况和隧道通过工况，从弓头气动升力、弓网接触力、滑板振动位移等多种动力学性能表征，明晰受电弓的动态耦合行为、服役特性及演化规律，开展高速列车受电弓与隧道耦合效应研究。本发明专利技术能够综合考虑由轨道不平顺和气动导致的传至受电弓底座的车顶振动、接触网不平顺、弓网接触力、隧道效应和受电弓流固耦合效应等多种激扰。耦合效应等多种激扰。耦合效应等多种激扰。

【技术实现步骤摘要】
一种基于流固耦合的受电弓与隧道耦合效应研究方法


[0001]本申请涉及空气动力学与多体动力学交叉
，更具体地，涉及一种基于流固耦合的受电弓与隧道耦合效应研究方法。

技术介绍

[0002]随着世界经济和工业的不断发展，铁路运输也逐渐向高速、重载、舒适的方向发展，对弓网受流质量的要求也更高。作为铰接式机械构件，受电弓依靠自身结构来保持与接触线的接触，很容易受到运行过程中动态力的影响。尤其在面临隧道通过工况时，高速列车的驶入使得隧道内产生了非常复杂的波系，这些波系会不断经过受电弓，使得受电弓受周围空气的动力作用，在运行中发生复杂的振动；反之，剧烈振动的受电弓也会引起周围流场的分布变化，致使受电弓的动态性能大幅下降，列车受流质量变差，严重时甚至不能正常受流。
[0003]目前，关于受电弓气动和动力学的单学科方面已有大量的相关研究，在这些研究中，受电弓大多采用三质量块模型，而且仅考虑了少量因素对弓网系统动力学性能的影响。而在受电弓气动与动力学耦合方面，作用在受电弓上的环境风、强气流常被视为随时间变化的外载荷，并未考虑到受电弓结构和周围流场之间的相互影响。且随着列车运行速度的提高，一些以前可忽略的因素造成的影响更加明显，不同系统不同激扰之间的耦合作用加剧，对传统的力学分析手段提出了新的挑战。
[0004]现有的关于高速列车受电弓气动和动力学耦合的专利申请中均存在一些缺陷，例如，专利申请“一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法”(申请号为201910521024.4)虽然提出了一种可以将两个学科耦合计算的方法，但由于与列车相比，受电弓在高速运动中受到其他因素的影响较大，此种耦合计算方法并未考虑到其余激扰；再例如专利申请“一种高速受电弓的双向流固耦合三维数值模拟方法”(申请号为201910514737.8)，虽然提出了应用在受电弓上的流固耦合计算方法，但仅考虑了流固耦合效应一项激扰，并未考虑高速运行时其他激扰带来的影响，也并未探究不同工况下的受电弓与周围流场的交互作用，且此专利申请中受电弓的模型简化过多，各杆件之间相互独立没有连接，与真实场景具有较大出入。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本申请提供了一种基于流固耦合的受电弓与隧道耦合效应研究方法，能够综合考虑多种激扰，准确描述和量化受电弓通过隧道时二者的耦合效应对受流质量的显著影响，为进一步从根源上提高受流质量提供了理论依据和支撑。
[0006]第一方面，本申请提供一种基于流固耦合的受电弓与隧道耦合效应研究方法，包括：
[0007]建立与流固耦合方法所匹配的明线运行工况和隧道通过工况下包含车体的受电弓的空气动力学模型；
[0008]建立与流固耦合方法所匹配的明线运行工况和隧道通过工况下受电弓的多体动力学模型；
[0009]利用空气动力学模型和多体动力学模型，进行明线运行工况下受电弓的空气动力学模型和多体动力学模型的耦合计算，获得明线运行工况下的受电弓的动力学性能表征；
[0010]进行实际运行线路的弓网线路测试，得到弓网线路测试结果，对比分析弓网线路测试结果中的弓网接触力和明线运行工况下的弓网接触力，验证受电弓的空气动力学模型及多体动力学模型的正确性；
[0011]利用空气动力学模型和多体动力学模型，进行隧道通过工况下受电弓的空气动力学模型和多体动力学模型的耦合计算，获得隧道通过工况下受电弓的动力学性能表征；
[0012]对比分析明线运行工况下受电弓的动力学性能表征和隧道通过工况下受电弓的动力学性能表征，阐释受电弓与隧道的耦合效应。其中，建立与流固耦合方法所匹配的明线运行工况和隧道通过工况下受电弓的多体动力学模型包括：
[0013]根据受电弓的组成结构和动力学参数，建立受电弓的多体动力学基础模型，其中，受电弓包括固定在地面的底座和位于底座上方的弓头，弓头包括固定连接的滑板和滑板支撑；
[0014]将由高速列车轨道不平顺和气动引起的列车车体姿态改变导致的车顶振动作为约束施加到底座，将由接触网不平顺导致的弓网接触力变化和弓网接触力通过接触力函数作为力元施加到滑板，将高速列车运动时车体周围流场产生的气动载荷设置为置换变量，通过覆盖置换变量并进行更新，将气动载荷作为力元施加至受电弓的各杆件的质心，完善多体动力学基础模型；
[0015]完成建立与流固耦合方法所匹配的明线运行工况和隧道通过工况下受电弓的多体动力学模型。
[0016]可选地，其中：
[0017]受电弓的多体动力学模型为受电弓的各杆件相互连接相互作用并相对转动、小幅度姿态改变与大尺寸高速前进运动结合的刚体三维模型；受电弓的空气动力学模型为受电弓各杆件之间没有空隙、受电弓各杆件之间能大幅相对转动的三维模型。
[0018]可选地，其中：
[0019]建立与流固耦合方法所匹配的明线运行工况和隧道通过工况下包含车体的受电弓的空气动力学模型包括：
[0020]建立包含车体的受电弓的三维模型，对三维模型在明线运行工况和隧道通过工况下进行内场和外场的划分；
[0021]采用混合网格划分方法对明线运行工况和隧道通过工况下的内场和外场进行网格的划分，采用六面体网格划分方法对明线运行工况和隧道通过工况下的外场进行网格的划分；
[0022]将内场和外场的网格进行组装，并定义网格的交界面；
[0023]定义与网格的划分方法相匹配的网格的运动方法和来自多体动力学模型计算后的位移；
[0024]定义可模拟真实运动的边界条件；
[0025]完成建立与流固耦合方法所匹配的明线运行工况和隧道通过工况下包含车体的
受电弓的空气动力学模型。
[0026]可选地，其中：
[0027]网格的运动方法为铺层动网格方法和粘性变形动网格方法相结合的网格运动方法。
[0028]可选地，其中：
[0029]明线运行工况下受电弓的空气动力学模型中内场的模型与隧道通过工况下受电弓的空气动力学模型中内场的模型相同，且均为能够模拟真实运动的动模型。
[0030]可选地，其中：
[0031]受电弓的动力学参数包括受电弓的质量、转动惯量、重心，弹簧刚度和阻尼；受电弓的动力学性能表征包括弓网接触力、弓头气动升力和滑板振动位移。
[0032]可选地，其中：
[0033]明线运行工况下和隧道通过工况下受电弓的空气动力学模型和多体动力学模型的耦合计算所采用的方法为双时间步时间推进法。
[0034]可选地，其中：
[0035]利用空气动力学模型和多体动力学模型，进行明线运行工况下受电弓的空气动力学模型和多体动力学模型的耦合计算，获得明线运行工况下受电弓的动力学性能表征和利用空气动力学模型和多体动力学模型，进行隧道通过工况下受电弓的空气动力学模型和多体动力学模型的耦合计算，获得隧道通过工况下受电弓的动力学性能表征均包括：
[0036]计算受电弓的空气动力学模型，得到气动载荷；
[0037]将气动载荷施加至受电弓的多体动力学模型中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于流固耦合的受电弓与隧道耦合效应研究方法，其特征在于，包括：建立与流固耦合方法所匹配的明线运行工况和隧道通过工况下包含车体的受电弓的空气动力学模型；建立与流固耦合方法所匹配的明线运行工况和隧道通过工况下受电弓的多体动力学模型；利用所述空气动力学模型和所述多体动力学模型，进行明线运行工况下所述受电弓的所述空气动力学模型和所述多体动力学模型的耦合计算，获得明线运行工况下的所述受电弓的动力学性能表征；进行实际运行线路的弓网线路测试，得到弓网线路测试结果，对比分析所述弓网线路测试结果中的弓网接触力和所述明线运行工况下的弓网接触力，验证所述受电弓的空气动力学模型及多体动力学模型的正确性；利用所述空气动力学模型和所述多体动力学模型，进行隧道通过工况下所述受电弓的空气动力学模型和多体动力学模型的耦合计算，获得隧道通过工况下所述受电弓的动力学性能表征；对比分析所述明线运行工况下所述受电弓的动力学性能表征和所述隧道通过工况下所述受电弓的动力学性能表征，阐释所述受电弓与隧道的耦合效应；其中，所述建立与流固耦合方法所匹配的明线运行工况和隧道通过工况下受电弓的多体动力学模型包括：根据所述受电弓的组成结构和动力学参数，建立所述受电弓的多体动力学基础模型，其中，所述受电弓包括固定在地面的底座和位于所述底座上方的弓头，所述弓头包括固定连接的滑板和滑板支撑；将由高速列车轨道不平顺和气动引起的列车车体姿态改变导致的车顶振动作为约束施加到所述底座，将由接触网不平顺导致的弓网接触力变化和弓网接触力通过接触力函数作为力元施加到所述滑板，将高速列车运动时车体周围流场产生的气动载荷设置为置换变量，通过覆盖所述置换变量并进行更新，将所述气动载荷作为力元施加至所述受电弓的各杆件的质心，完善所述多体动力学基础模型；完成建立与流固耦合方法所匹配的明线运行工况和隧道通过工况下所述受电弓的多体动力学模型。2.根据权利要求1所述的基于流固耦合的受电弓与隧道耦合效应研究方法，其特征在于，所述受电弓的所述多体动力学模型为所述受电弓的各杆件相互连接相互作用并相对转动、小幅度姿态改变与大尺寸高速前进运动结合的刚体三维模型；所述受电弓的所述空气动力学模型为所述受电弓各杆件之间没有空隙、所述受电弓各杆件之间能大幅相对转动的三维模型。3.根据权利要求1所述的基于流固耦合的受电弓与隧道耦合效应研究方法，其特征在于，所述建立与流固耦合方法所匹配的明线运行工况和隧道通过工况下包含车体的受电弓的空气动力学模型包括：建立包含所述车体的所述受电弓的三维模型，对所述三维模型在明线运行工况和隧道通过工况下进行内场和外场的划分；采用混合网格划分方法对明线运行工况和隧道通过工况下的所述内场进行网格的划
分，采用六面体网格划分方法对明线运行工况和隧道通过工况下的所述外场进行网格的划分；将所述内场和所述外场的所述网格进行组装，并定义所述网格的交界面；定义与所述网格的划分方法相匹配的所述网格的运动方法和来自多体动力学模型计算后的位移；定义可...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪占玲，鞠胜军，郭迪龙，杨国伟，成炯豪，闫畅，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：