铁道车辆车轮非圆化会显著增大轮轨接触振动和噪声(如:多边形车轮),导致严重的轮轨冲击载荷(如:离散不圆顺)[1]。因此有必要采用计算机模拟技术研究车轮不圆状态的轮轨动态接触特性。一方面研究车轮不圆形成的机理,另一方面研究其引起的振动、噪声和轨道系统的劣化[1]。
这一版本的CONTACT软件增加了对车轮不圆的精细化模拟,软件开发了基于全三维车轮几何描述的通用轮轨几何接触算法,可模拟车轮表面任意位置的轮轨接触。本项研究工作是在美国联邦铁路管理局(FRA)的资助下完成的。
CONTACT计算使用的不圆车轮几何模型是一组车轮径向切片文件,文件扩展名为slcw。车轮切片文件与前一版本用于模拟道岔的钢轨切片文件使用方法一致[2],只不过沿着轨道中心线的距离参数sfc需替换为绕轮轴的转角参数θwc ∈ [−, ) ,并且垂向位置参数 z 需替换为相对于名义车轮半径的径向偏差参数dr。
对于不圆的车轮,无法使用迹线法进行接触点搜寻计算。在处理此类问题时,CONTACT软件会自动切换为基于网格的方法。然而基于网格的方法计算比较慢,需要开发新的搜索方法来提高效率。
图1所示的是一个实测的扁疤车轮,在恒定垂向力Fz=125kN作用下,于钢轨表面滚动形成的接触斑形状。暗红色的线条代表理想的轮轨接触斑,以作对比。从图1可以明显地看出接触斑位置和形状变化的过程。
特别感谢瑞典查尔姆斯理工大学尼尔森教授提供实测的扁疤数据。
1.CONTACT程序无缝集成到UM程序环境
2.用户操作简便,易于调用Kalker完全非线性理论
3.可用来检验其他简化理论的仿真结果
4.可得到精确的轮轨接触数据,如:接触斑位置和面积,黏着区和滑动区分布,法向力和切向力
CONTACT软件创始人是荷兰代尔夫特理工大学著名学者J.J. Kalker。Edwin Vollebregt博士和他的团队进一步开发,重新整理编译,加入了并行算法,增强了程序的可拓展性、鲁棒性、求解效率和精度,并开发了易于操作的用户界面。
CONTACT软件在功能方面也有很多增强,如:考虑轮轨间第三层介质、轮轨摩擦负斜率效应、支持轮轨共形接触、轮轨几何接触、次表面应力计算等。
多年以前,由于CONTACT程序需要经过非常复杂的数学运算,因而效率低下,很难应用于机车车辆动力学仿真计算,取而代之的是基于Kalker简化理论的Fastsim算法及其衍生版。
随着计算机硬件水平的提高和软件算法的优化改进,CONTACT先后应用于几大主流的车辆动力学商业软件:
Universal Mechanism
VORTech公司开发的接口CONTCT add-on for UM,可在动力学计算的每一个积分步调用CONTACT进行轮轨接触分析,可完全代替传统的Fastsim等简化模型,目前已可用于轮轨磨耗及滚动接触疲劳仿真。
GENSYS
VORTech公司开发的接口CONTCT add-on for GENSYS,可在动力学计算的每一个积分步调用CONTACT进行轮轨接触分析,可完全代替传统的Fastsim等简化模型。
Simpack
VORTech公司开发的接口CONTACT add-on for Simpack,支持在后处理时调用CONTACT进行轮轨接触分析。
VAMPIRE
VAMPIRE采用赫兹理论计算法向力,切向力使用基于Kalker原始理论的系数表。
此外,CONTACT还提供Matlab动态链接库接口,可以将CONTACT集成到用户自编的车辆动力学仿真程序。