【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高速磁浮列车气激振动，具体涉及一种超高速磁浮列车气激振动计算方法。
技术介绍
1、悬浮稳定性是磁浮列车系统稳定性的首要问题，而磁浮列车系统动力稳定性是磁浮系统稳定性研究的主要问题，也是磁浮列车技术研究和工程应用最需要关注和解决的问题之一。与传统轮轨交通不同，磁浮交通以电磁力将列车悬浮起，实现贴地“飞行”，故受地效影响异常显著。
2、目前，悬浮系统设计可分为两个方向：常导型和超导型，以上两种悬浮技术在控制复杂程度上有差异外，在悬浮间隙上也存在明显区别(常导在10mm左右，超导在100mm左右，相差可达一个数量级)，两者受地效影响均非常显著，尤其是常导技术磁浮列车，时速600公里车速会加剧地面效应，极易加剧系统振动；大长细比还会造成各车气动性能差异大，比如头车下压力过大，而尾车气动抬升力甚至接近车辆自重，极易引发悬浮失效；磁浮列车悬浮架波动需控制在毫米级，以避免悬浮架与线路发生碰撞。
3、复杂运行场景耦合线路不平顺，形成多源载荷作用于磁浮列车，还会进一步加剧动力学性能劣化，引发“海豚跳”现象，影响运行平稳性、乘坐舒适性，甚至会造成悬浮失稳，威胁行车安全。
4、上述想象可归结为气激振动问题，包括流弹性失稳、非定常压力波动激励、漩涡脱落，以及湍流激振，引起磁浮列车悬浮性能恶化的主要振动原因来自于动态地面效应和外界流体的激振作用。磁浮列车的流致振动现象涉及电磁、流体和固体之间的相互作用，伴随着流固耦合面的数据传递，气动力与电磁力的平衡。随着计算机技术的发展，研究人员越来越多的采用数值模拟的
5、多物理场耦合方法分为单向、双向耦合方法，目前，研究人员大多数采用中间数据交换平台耦合电磁-流体-结构动力学分析程序的方法，实现磁、流和固的实时双向数据传递。这种方法伴随着计算量大，耦合面数据交换速度慢且容易出错的弊端，涉及多个软件接口，还极易造成计算发散，尤其对于复杂结构对象；对于磁浮列车而言，单向耦合会带来较大的模拟失真，主要是悬浮间隙太小，尤其是常导磁浮列车，且悬浮间隙内的磁-流-固耦合是我们更加关注的，采用双向流固耦合是更加合适的选择。如果能够在一个计算程序中同时实现电磁控制、流体动力学方程的求解和瞬态动力学方程的求解，则会大大减少整个计算程序的依赖性。
技术实现思路
1、本专利技术需要解决的技术问题是提供一种超高速磁浮列车气激振动计算方法，可实现在一个计算程序中同时实现电磁控制、流体动力学方程的求解和瞬态动力学方程的求解，模拟磁浮列车的悬浮运动。
2、为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案如下。
3、一种超高速磁浮列车气激振动计算方法，通过在流体仿真软件中导入用户自定义函数文件的方法，将磁浮列车与磁轨间的磁浮力简化为弹簧阻尼，采用runge-kutta方法求解瞬态动力学方程，得到磁浮列车做沉浮运动的位移和速度以及点头运动的角度和角速度，实现同时控制电磁、求解流体动力学方程和瞬态动力学方程，完成磁-流-固耦合面的数据传递，模拟磁浮列车的气激振动；具体包括以下步骤：
4、s1：确定磁浮列车系统的几何参数，建立头车、中间车和尾车三车编组以及磁轨的几何模型；
5、s2：对头车、中间车和尾车三车编组分别编译用户自定义函数文件，并导入流体仿真软件中；
6、s3：在流体仿真软件中建立磁浮列车系统的计算模型、选择嵌套网格、定义边界条件以及选择算法和湍流模型，利用流体力学计算程序开展第一时间步迭代计算至收敛，获取三车编组分别对应的升力fl和绕y轴转矩my；
7、s4：调用步骤s2中的用户自定义函数文件，基于嵌套网格对流体域网格进行更新，再对嵌套网格更新后的流体域进行下一次迭代计算；
8、s5：循环执行步骤s4，确保每一时间步收敛直到达到设置的计算时间，计算停止，得到列车在运行过程中的垂向运动姿态。
9、优选的，所述步骤s2中对头车编译用户自定义函数文件的步骤具体为：
10、s21：定义常量包括：质量m、转动惯量i、两个弹簧的弹性系数分别是ka和kb、两阻尼系数分别为ca和cb以及两个弹簧阻尼系统相距于质心距离a和b；
11、s22：给定列车的初速度初位移x、初角速度和初角位移θ均为0以及时间步长dt＝0.005；
12、s23：根据机械振动理论，力的平衡公式可得：
13、
14、令
15、k＝ka+kb(3)
16、c＝ca+cb(4)
17、其中，公式(1)中升力fl由流体仿真软件监测得到；
18、采用runge-kutta法求解公式(1)，4阶runge-kutta法的中间系数表达如下：
19、
20、
21、
22、
23、t+dt时刻列车的垂向平移速度和位移可得：
24、
25、
26、其中，和分别代表t时刻和t+dt时刻列车的垂向平移速度；xt和xt+dt分别代表t时刻和t+dt时刻列车的垂向平移位移；
27、s24：根据机械振动理论，转矩的平衡公式：
28、
29、令
30、kθ＝kaa2+kbb2(13)
31、cθ＝caa2+cbb2(14)
32、其中，公式(11)中绕y轴转矩my由流体仿真软件监测得到；
33、采用runge-kutta法求解公式(11)，得到t+dt时刻列车绕质心旋转的角速度和角位移可得：
34、
35、
36、其中，和分别代表t时刻和t+dt时刻列车的角速度；θt和θt+dt分别代表t时刻和t+dt时刻列车的角位移。
37、优选的，所述步骤s2中对中间车和尾车编译用户自定义函数文件的步骤和各步骤的内容与头车相同。
38、优选的，所述步骤s3中定义的边界条件包括但不限于磁浮列车壁面和进出口。
39、优选的，所述步骤s3中根据流动问题的性质，选择算法和湍流模型；所述湍流模型选用iddes湍流模型，且选用隐式密度基对流场求解，离散湍流项和耗散项均采用二阶迎风格式；所述嵌套网格的中心的变化量采用最小二乘法进行计算。
40、由于采用了以上技术方案，本专利技术所取得技术进步如下。
41、本专利技术可以实现在流体力学动力学计算中，同时求解动力学微分方程和流体力学方程，模拟磁浮列车的悬浮运动，可以为未来磁浮列车在垂向方向运动中提供参考，具有重要意义。
42、本专利技术提供了一种能够预测磁浮列车运行过程中垂向运动走势的方法，该方法对于大多数主流的流体力学软件均适用。
43、本专利技术基于磁-流-固耦合方法和嵌套网格，在模拟磁浮列车系统周围流场的同时，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超高速磁浮列车气激振动计算方法，其特征在于：通过在流体仿真软件中导入用户自定义函数文件的方法，将磁浮列车与磁轨间的磁浮力简化为弹簧阻尼，采用Runge-Kutta方法求解瞬态动力学方程，得到磁浮列车做沉浮运动的位移和速度以及点头运动的角度和角速度，实现同时控制电磁、求解流体动力学方程和瞬态动力学方程，完成磁-流-固耦合面的数据传递，模拟磁浮列车的气激振动；具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种超高速磁浮列车气激振动计算方法，其特征在于：所述步骤S2中对头车编译用户自定义函数文件的步骤具体为：
3.根据权利要求2所述的一种超高速磁浮列车气激振动计算方法，其特征在于：所述步骤S2中对中间车和尾车编译用户自定义函数文件的步骤和各步骤的内容与头车相同。
4.根据权利要求1所述的一种超高速磁浮列车气激振动计算方法，其特征在于：所述步骤S3中定义的边界条件包括但不限于磁浮列车壁面和进出口。
5.根据权利要求1所述的一种超高速磁浮列车气激振动计算方法，其特征在于：所述步骤S3中根据流动问题的性质，选择算法和湍流模型；所述湍流模型
...【技术特征摘要】
1.一种超高速磁浮列车气激振动计算方法，其特征在于：通过在流体仿真软件中导入用户自定义函数文件的方法，将磁浮列车与磁轨间的磁浮力简化为弹簧阻尼，采用runge-kutta方法求解瞬态动力学方程，得到磁浮列车做沉浮运动的位移和速度以及点头运动的角度和角速度，实现同时控制电磁、求解流体动力学方程和瞬态动力学方程，完成磁-流-固耦合面的数据传递，模拟磁浮列车的气激振动；具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种超高速磁浮列车气激振动计算方法，其特征在于：所述步骤s2中对头车编译用户自定义函数文件的步骤具体为：
3.根据权利要求2所述的一种...
【专利技术属性】
技术研发人员：牛纪强，杨小雨，李临冬，靳铠龙，马亚民，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：
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