【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及刚性接触网波动行为仿真，具体为一种基于有限元仿真的刚性接触网波动传播速度计算方法。
技术介绍
1、刚性接触网系统是隧道内电气化列车获取电力供应的重要设备，其与受电弓之间的稳定接触是列车安全稳定运行的重要保障。随着城市轨道交通及山区隧道铁路的不断发展，对刚性接触网系统运行速度的要求不断提高。而随着运行速度的提升，刚性接触网上的波动传播行为对接触网-受电弓系统受流质量的影响愈发显著。当列车运行速度逐渐接近刚性接触网波动传播速度时，甚至会产生波速共振现象，严重威胁系统安全运行。波动传播速度是衡量刚性接触网波动传播行为的重要指标，也是设计高速刚性接触网系统时需重点考虑的关键参数。但由于高昂的试验成本以及隧道现场条件的限制，难以直接在实际线路上对波动传播速度进行测定。因此，有必要提出一种数值计算方法，计算刚性接触网的波动传播速度，为高速刚性接触网设计提供技术参考。
技术实现思路
1、为精确提取刚性接触网波动传播速度，本专利技术提出了一种基于有限元仿真的刚性接触网波动传播速度计算方法。本专利技术方法首先采用绝对节点坐标法(ancf)梁单元建立刚性接触网有限元模型，然后对模型施加集中载荷并计算其变形状态，之后瞬间释放集中载荷并计算刚性接触网自由振动过程，最后构建刚性接触网波动时空分布并提取波动传播速度。
2、本专利技术提供一种基于有限元仿真的刚性接触网波动传播速度计算方法，具体包括以下步骤：
3、步骤1：根据刚性接触网设计参数，采用ancf梁单元与三维弹簧单
4、步骤2：对刚性接触网有限元模型施加集中载荷和全局重力载荷，计算刚性接触网在重力载荷以及集中载荷共同作用下的平衡形态；
5、步骤3：在所述平衡形态基础上，瞬间移除集中载荷，并采用newmark法计算刚性接触网自由振动过程；
6、步骤4：构建刚性接触网波动时空分布图，采用追踪波动峰值转移轨迹的方法计算波动传播速度。
7、进一步地，步骤1包括：
8、1.1：采用ancf梁单元离散刚性接触网汇流排与接触线，构建ancf梁单元坐标、刚度矩阵和质量矩阵；ancf梁单元坐标格式为：
9、ea＝[e1 e2 e3 e4 e5 e6 e7 e8 e9 e10 e11 e12]t
10、其中，
11、e1＝x|χ＝0 e2＝y|χ＝0 e3＝z|χ＝0
12、e7＝x|χ＝l e8＝y|χ＝l e9＝z|χ＝l
13、其中，x，y，z为ancf梁单元上任意一点在三维空间中的坐标，l为单元原长，χ为单元上从0到l变化的局部变量；ancf梁单元上任意点坐标可由下式计算得到：
14、r＝[x y z]t＝sea
15、s为ancf梁单元的形函数，写作：
16、s＝[s1i3 s2i3 s3i3 s4i3]
17、其中i3为三阶单位矩阵，si为：
18、
19、其中ξ＝χ/l。
20、ancf梁单元的刚度矩阵ka和质量矩阵ma分别为：
21、
22、ka＝kl+kt
23、其中，
24、
25、
26、式中，ma为ancf梁单元的质量，e为杨氏弹性模量，a为ancf梁单元横截面积，i为ancf梁单元的截面惯性矩，ε为ancf梁单元轴向应变；
27、1.2：采用三维线性弹簧单元离散悬挂结构，构建三维弹簧单元的质量矩阵ms和刚度矩阵ks：
28、
29、
30、其中，ms为三维弹簧单元的等效质量，kx，ky，kz分别为三维弹簧单元在xyz三个坐标轴方向上的刚度系数；由于三维弹簧单元的基座端固定，活动端与ancf梁单元相连，三维弹簧单元坐标为：
31、es＝[x y z]t
32、1.3：将刚性接触网的各个单元根据其实际结构选取单元类型，组装全部单元的坐标向量与质量矩阵，构建刚性接触网的系统坐标向量e和系统质量矩阵m，所述单元类型包括ancf梁单元和三维弹簧单元。
33、进一步地，步骤2包括如下步骤：
34、2.1：计算集中载荷在ancf梁单元上引起的单元集中载荷向量fc：
35、fc＝s’t[0 fc 0]t
36、其中，fc为集中载荷大小，s’为受到集中载荷的ancf梁单元的形函数矩阵；然后根据刚性接触网的各单元自由度对应关系将单元集中载荷向量组装到系统整体的集中载荷向量pc；
37、2.2：计算重力作用在ancf梁单元上引起的单元重力载荷向量fg：
38、
39、其中，g为重力常数，ρ为材料密度；然后根据刚性接触网的各单元自由度对应关系将单元重力载荷向量组装到系统整体的重力载荷向量pg；
40、2.3：计算刚性接触网系统弹性内力向量，刚性接触网系统弹性内力向量由ancf梁单元弹性内力与三维弹簧单元弹性内力向量组装而成；
41、ancf梁单元弹性内力计算公式为
42、qa＝kaea
43、三维弹簧单元弹性内力计算公式为
44、qs＝ks(es-e0)
45、其中，e0为弹簧单元的初始坐标向量；根据刚性接触网的各单元自由度对应关系，组装获得刚性接触网系统弹性内力向量q；
46、2.4：计算刚性接触网系统切线刚度矩阵，刚性接触网系统切线刚度矩阵由ancf梁单元切线刚度矩阵和三维弹簧单元切线刚度矩阵组装而成；其中ancf梁单元切线刚度矩阵为
47、
48、三维弹簧单元的切线刚度矩阵与三维弹簧单元的刚度矩阵ks相同；根据刚性接触网的各单元自由度对应关系组装单元切线刚度矩阵，组装得到刚性接触网系统切线刚度矩阵j；
49、2.5：计算刚性接触网在系统弹性内力与外部载荷不平衡作用下的位移增量δu，计算公式为
50、δu＝j-1(pc+pg-q)
51、2.6：判断若max(δu)≤第一收敛容限，则输出刚性接触网平衡形态下的系统坐标向量e并进行下一步；否则，更新刚性接触网系统坐标向量：e＝e+δu，并转到步骤2.3。
52、进一步地，步骤3包括如下步骤：
53、3.1：计算newmark迭代所需中间矩阵a1、a2和a3，计算公式为
54、
55、其中，δt为newmark迭代时间步长，β和γ为newmark参数；c为系统阻尼矩阵，可由瑞雷阻尼计算得到；
56、3.2：初始化newmark迭代步索引i＝1，初始化系统坐标向量ei、速度向量和加速度向量其中，由于刚性接触网尚处于静止状态，初始速度向量为零向量，初始加速度向量计算公式为
57、
58、3.3：预设ei+1＝ei。
59、3.4：计算系统切线刚本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于有限元仿真的刚性接触网波动传播速度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于有限元仿真的刚性接触网波动传播速度计算方法，其特征在于，步骤1包括：
3.根据权利要求1或2所述的一种基于有限元仿真的刚性接触网波动传播速度计算方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：
4.根据权利要求3所述的一种基于有限元仿真的刚性接触网波动传播速度计算方法，其特征在于，所述步骤3具体如下：
5.根据权利要求4所述的一种基于有限元仿真的刚性接触网波动传播速度计算方法，其特征在于，所述步骤4具体如下：
【技术特征摘要】
1.一种基于有限元仿真的刚性接触网波动传播速度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于有限元仿真的刚性接触网波动传播速度计算方法，其特征在于，步骤1包括：
3.根据权利要求1或2所述的一种基于有限元仿真的刚性接触网波动传播速度计算...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋洋，陈龙，储文平，刘志刚，胡泽尧，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：
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