轨道交通仿真之Simpack软件及Rail模块

一、Simpack软件及Rail模块简介

Simpack是专家级机电系统运动学/动力学仿真分析软件，是世界上第一款采用完全递归算法、利用相对坐标系建立模型的多体动力学软件。

Simpack软件可以用来仿真模拟现实世界中任何的机械/机电系统，从仅仅只有几个自由度的简单系统到复杂系统，如汽车、火车、飞机、风机等，都能利用Simpack软件进行模拟仿真。可以应用到产品概念设计、详细设计、试验研究、故障诊断以及产品维护的全生命周期内。

Simpack Rail轨道车辆解决方案是针对轨道-车辆动力学仿真开发的专用软件。在全球范围拥有广泛的用户群，主要的机车制造商、工程设计商、供应商、运营商、高校和科研院所都在使用Simpack Rail。通过Simpack强大的建模功能和快速的计算速度能高效地预测和分析轨道车辆间的动力学性能，从而大大降低开发成本，缩短开发周期，提高产品设计质量。Simpack Rail与行业合作伙伴之间的项目合作和大量的验证试验，保证了仿真的可靠性，同时也提供了在轨道交通行业应用中的丰富经验。

二、Simpack Rail功能和优势

（1）车辆建模

Simpack Rail提供简洁、易于使用的用户界面用于创建任何类型的机车模型。从自动生成轮对或单独车轮开始，用户可以一步步地建立一个完整的车辆模型。丰富的建模单元（例如轴箱、弹簧、曲线数据甚至完整的转向架）都很方便地从数据库或用户指定的模型中获取。Simpack Rail模型能实现完全参数化。而且，由于Simpack所有的模块都是兼容的，Rail用户也能借鉴其它行业应用的相关经验。

（2）线路建模

Simpack具有通用的工具用于建立任意的轨道线路。线路模型不仅包括轨道，而且还包括线路的不平顺、线路的弹性及轨道子结构。一条完整的线路可以利用标准库中的单元（曲线的驶入、驶出、道岔等）和少量的参数（如长度、半径和超高）来定义。

（3）轮轨接触

Simpack提供一系列高效的轮轨接触模型。默认方式下，Simpack提供“约束接触”，使用单点或多点接触，可以考虑轮轨之间的高频接触振动，并能大大地提高计算速度。如果模拟车轮抬起工况，接触模型会被转换为“弹性接触”。所有接触模型都能用于沿长度变化的轨道，其中包含必要的道岔和护轨。

除了世界公认的专业算法，Simpack还提供一些其它算法用于计算接触力。接触摩擦力随着接触点的位置（纵向和横向）和蠕变速度而变化。

车轮和轨道轮廓可以直接从Simpack标准库或测量数据中获取。

三、Simpack Rail在铁路行业中的应用

Simpack Rail可以处理所有的轨道与车辆之间耦合的动力学仿真问题，使用户无论在时域还是在频域中都能够快速方便地分析所建的模型。

（1）转向架设计和仿真

SimpackRail可建立详细的转向架模型，包含一系、二系悬挂、减振阻尼器等。能通过静平衡分析、预载荷分析对转向架模型进行“称重”分析，使模型达到平衡状态；能对转向架进行不同工况的仿真，研究转向架的性能，包括侧向力、临界速度等，获得各部件的运动和受力曲线。

（2）轨道线路设计

使用Simpack能建立任意形状的轨道曲线，包含线路平纵断面的关键参数，如平面圆曲线半径、圆曲线长度、竖曲线半径、坡段长度等参数。使用Simpack动力仿真分析方法可以对铁路线路参数进行了研究和分析，得到线路圆曲线最小长度、反向曲线夹直线最小长度、竖曲线最小半径等关键参数的合理取值，能有效减少工程建设投入。

对线路线形方案进行动力学分析及评估，能优化线路曲线，提高列车行驶舒适度。为铁路线路参数标准的确定提供参考。

（3）轨道安全性分析

Simpack中建立车辆的多体动力学模型，在不同的轨道和不平顺的激励下，计算车辆以不同的速度通过曲线轨道时的脱轨系数和轮重减载率，分析其脱轨安全性。

（4）乘坐舒适性

列车的乘坐舒适性问题越来越受到重视，特别是对高速列车，如果振动过大，会产生非常不好的乘坐体验。因此在列车研发过程中就可以使用Simpack Rail进行乘坐舒适性问题研究

在轨道中施加轨道谱，通过建立柔性车体，可以在车辆任意位置测量加速度，在后处理中通过过滤器对数据进行处理，进行EN12299舒适度分析，检查仿真结果是否能满足设计要求。

（5）轮轨磨耗分析

列车经过长距离的行驶后，车轮和轨道都会产生一定的磨损，如果磨损量过大就会对行车舒适性甚至安全性产生影响，因此评估轮轨的磨耗量对研究列车行驶性能有重要影响。

Simpack Rail可预测铁路车轮和钢轨的磨损（材料去除）。它获取接触面位置和尺寸、接触力和蠕动信息，并使用这些仿真结果预测在仿真运行期间从车轮或轨道上移除的材料量。对比经过磨耗和滚动接触疲劳后的几何轮廓与原始设计的区别。

（6）车桥耦合

随着列车运行速度的不断提高，列车与桥梁之间的动力相互作用越来越受到重视，高速列车对桥梁结构的动力作用很大，对高速铁路桥梁进行车-桥耦合振动分析非常必要。将大型大跨度柔性桥梁应用于高速铁路后，由于高速铁路高平顺性、高舒适性、高稳定性和高安全性的要求，其车－桥系统的动力性能变得至关重要。

采用Simpack和通用有限元软件（如Abaqus）相结合的方法对桥梁进行车-桥耦合动力学和振动分析，能评价该桥在列车设计时速下车-桥系统的安全性和舒适性，研究结果可为同类桥梁的建设和管理提供技术资料。

（7）极端工况

Simpack可以对所建立的轨道车辆模型施加多种分析工况，分析车辆和轨道在不同场景下性能，常用的两个事关安全性能的场景有地震和侧风工况。

A．地震工况

我国地处环太平洋地震带和地中海-喜马拉雅地震带交汇处，是世界上地震灾害最严重的国家之一。我国地震具有活动频度高且具有强度大、震源浅、分布广的特点。地震时轨道（包含高架桥轨道）的振动对行车安全有显著的影响。高速铁路行车密度大，运行速度高，高速列车一旦脱轨将造成严重的损失。

基于Simpack软件建立轨道车辆耦合动力学仿真模型，通过输入地震波激励计算高速列车-轨道（桥梁）系统在轨道不平顺激励和横向地震动作用下的响应并能评估高速列车运行的安全性。研究在横向地震荷载作用时，列车运行安全脱轨系数、轮重减载率、横向轮轨力等安全指标与地震的强度和行车速度之间的关系，以及为保证列车运行安全，对不同设防烈度不同场地下行驶的列车进行限速的速度数值。

B．侧风工况

侧风扰动对于高速动车运行是一个十分重要的安全影响因素。在强劲的侧向风作用下，列车所受到的侧向气动力和力矩有可能使列车横摆超限、脱轨，甚至出现翻车和人员伤亡事故。因此，研究轨道在不同速度下抵御侧风能力，对于列车的安全运行有着十分重要的指导意义。

利用Simpack软件建立高速动车模型，在直线和曲线两种工况下，着重分析走行部的动态行为安全性，如倾覆系数。侧风扰动作用的主要载荷特征，可以根据EN14067确定。通过Simpack仿真分析，能研究不同轨道曲线、不同行驶速度、不同横风速度情况下，分析列车受到的气动力和气动力矩对车体抗倾覆能力的影响，获得不同轨道曲线下抵御侧风速度的极限值。

四、Simpack Rail用户

Simpack Rail是轨道-车辆行业标准的动力学仿真分析工具，在国内外在拥有众多的用户。

主要的铁路设计院、机车生产商以及铁路相关的科研院所都在使用Simpack Rail进行轨道线路设计、车桥耦合、机车设计、新技术开发等工作，并取得显著的成果。特别是在中国，Simpack Rail积累了丰富的仿真经验和技术知识，助推了中国铁路行业技术的发展。

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原文标题：干货分享 | 轨道交通仿真之Simpack Rail

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