專利名稱：鐵路軌道系統動態性能可視化仿真方法
技術領域：
本發明涉及一種振動系統可視化仿真方法，尤其涉及鐵路軌道系統動態性 能可視化仿真方法。
背景技術：
在動力學視景仿真系統中，除了要準確描述各對象的幾何關系外，同時還 需要實現各對象按其行為規律以令人信服的方法進行運動，行為仿真的逼真性 直接影響到分析人員對系統振動行為的直觀認識和判定。
軌道是行車的基礎，它的作用是引導機車車輛平穩安全運行，直接承受由 車輪傳來的荷載，并把它傳遞給路基或橋隧等建筑物。從橫截面看，傳統的軌 道結構自上而下由鋼軌、軌枕、碎石道床等力學性能不同的材料組成，鋼軌和 軌枕用扣件聯結成軌排浮鋪于道床上。因此，軌道的結構組成特點是組合性和 散體性。此外，從軌道平面看，軌道結構屬于典型的長大工程結構物。軌道載 荷具有重復性和隨機性的特點。對軌道某一斷面而言，車輪由遠處而來、接近、 離開，將車輛自重傳遞給鋼軌及軌下基礎，使線路發生沉陷、變形，形成一條 以車輪和鋼軌接觸點為中心的位移變形曲線，鋼軌及軌下基礎承受由小到大再 變小的載荷作用，并激起線路各部分振動。列車車輪依次通過該斷面，輪群對 線路該斷面的載荷還具有周期性，軌道在列車輪群周期性載荷作用下作強迫振 動。列車在軌道上運行時，由于客觀存在的軌道不平順、車輪不平順、車輛蛇 行運動等不確定因素，使輪軌系統的振動和沖擊作用具有隨機性。由于軌道結 構的復雜性和軌道載荷的重復性和隨機性，對軌道系統動力學的可視化仿真就 顯得尤其艱難。
在機車車輛一軌道耦合動力學視景仿真系統中，有關車輛子系統振動行為的動態模擬技術已經發展地比較成熟，對于軌道系統，由于其結構特殊、振動 行為復雜，到目前為止，尚未開展比較詳細的動力學可視化仿真研究。過去通 常采用將整條線路離散成單位長度的軌道單元塊，然后將每個單元塊作為一個 整體進行平移和旋轉，以完成對整條線路振動行為的模擬。由于鋼軌是以縱向 梁的形式參與纟展動的一個彈性體，顯然，這樣的方法會導致相鄰兩單元塊相交
或產生裂縫，所以它只能反映軌道系統最基本的振動特征，而且是大體上的，無法準確模擬軌道系統各組成部件的特殊振動行為，如鋼軌的垂向、橫向彈 性變形及翻轉運動；每根受影響的軌枕的垂向、橫向及旋轉運動。由于軌道系統動態性能的好壞是直接影響列車運行質量(包括安全可靠、 快速便捷、高效節能、平穩舒適等)。因此，需要應用仿真模擬的方法對軌道系 統動態性能進行研究與分析，以便于實現列車線路的無風險動力學嘗試試驗， 加快機車車輛與軌道系統的研制、開發與改進。因此，研究一個直觀的且能更 真實地綜合模擬軌道系統動態性能仿真的計算機軟硬件平臺，既有重要的理論 價值，也具有很大的實際意義。 發明內容本發明的目的就是提供一種軌道系統動態性能綜合仿真方法，該方法能更 真實地綜合模擬列車行駛時軌道系統的各種動態性能，集成性好；并能將列車 及線路的動態狀態在三維場景中進行可視化顯示，直觀、形象，使用簡單方便。本發明解決其技術問題，所采用的技術方案是 一種鐵路軌道系統動態性 能可纟見化仿真方法，其步驟是a、從列車和線路模型庫中獲取選定的列車和線路數據，使用車輛一軌道 耦合系統動力學計算方法，按設定的速度算出受列車振動影響的線路范圍內的軌枕與鋼軌的時間-振動位移數據、時間-振動速度數據及時間-振動加速度數據，并存儲于動態數據庫中；或者受列車振動影響的線路范圍內的軌枕與鋼軌當前時刻的振動位移數 據、當前時刻的振動速度數據及當前時刻的振動加速度數據；b、 初始化三維仿真場景，并在其中配置光源，從線路模型庫中獲取線路的 道^^莫型并顯示；c、 從線路模型庫中獲取軌枕模型及選定線路的軌枕間的相對結構數據，再 根據設定的速度和時間間隔，計算出列車在線路上行駛的距離；將當前時刻受 列車振動影響的線路軌枕，按其所在線路中心線的兩相鄰控制點間進行插值， 得出當前時刻的線路軌枕在大地坐標系中的空間平衡位置；同時，根據線路幾何狀態數據及算出的當前時刻列車在線路上的位置，確 定出受列車振動影響范圍內鋼軌的關鍵位置處的輪廓點，即鋼軌的起始處及與 車輪的接觸處的鋼軌輪廓點；按其所在線路中心線的兩相鄰控制點間進行插值，
得出當前時刻的鋼軌在大地坐標系中的空間平衡位置；d、 將軌枕當前時刻的空間平衡位置與a步中計算出的相應振動位移數據疊 加，得出線路軌枕的顯示空間位置；在三維場景中，按軌枕的顯示空間位置將 軌枕顯示出來，即實現了鐵路軌道系統中軌枕振動行為的可視化模擬；根據左右側鋼軌各關鍵節點的空間平衡位置，將鋼軌各關鍵位置處輪廓點 相應的振動位移翁:據疊加，由點、線、面的方式實時生成定位的左右側鋼軌三 維模型；并在三維場景中，將其顯示出來，即實現了鐵路軌道系統中鋼軌振動 行為的可視化模擬；e、 重復c d兩步驟，即可實現鐵路軌道系統動態性能可視化仿真；若當 前時刻與列車車輪接觸位置的鋼軌截面為所顯示線路的鋼軌終止端面，則仿真 結束。與現有技術相比，本發明的有益效果是1、 通過模擬受車輛作用影響范圍內有限長軌道的振動行為，完成對軌道系 統動力學的可視化仿真；避免了在整條線路上對軌枕的空間位置進行操作的大 量工作。2、 通過實時動態創建有限長鋼軌模型，避免了在三維場景中查找車輛經過 處，受影響范圍內的既有鋼軌模型關鍵節點以及對模型進行變形操作的繁瑣復 雜性。3、 將鋼軌作為一個彈性梁來模擬其振動行為，即通過計算出關鍵位置處的 鋼軌輪廓點的位置，然后在將這些輪廓點平滑連接生成彈性變形后的實時動態 鋼軌模型，這樣更能反映鋼軌在動力學模型中以彈性梁的形式參與振動的本質， 更真實地模擬出了鋼軌的振動與變形如鋼軌的垂向、橫向彈性變形及扭轉運 動，解決了過去無法準確模擬鋼軌特殊振動行為的狀況。而現有的方法，將其 分割成非常小的單元塊，然后將每個小塊作為一個剛性體，進行平移和旋轉操 作來模擬鋼軌的振動行為，即不能真實地模擬鋼軌的振動與變形，同時也產生多邊形自相交或不合理的扭結效果。4、 實時創建鋼軌模型時，是在有限長鋼軌內選取受列車振動影響少數關鍵 位置處的輪廓點進行計算疊加，再平滑處理得到，其計算數據量小，計算復雜 度低，因此，盡管是實時地創建有限長鋼軌模型，但整個仿真場景的渲染速度 幾乎不受由此產生的時間增量的影響。 從而本發明方法為軌道系統關鍵動力學參數及軌道平縱斷面的優化設計， 軌道系統的研制、開發與改進提供了統一、直觀、完整、有效的動態性能仿真 依據。特別是為高速、重載現代化鐵路系統的最佳管理提供了理論分析工具，具 有很強的工程應用價值。上述的受列車振動影響的線路范圍為列車總長及列車前后各25 ~ 50米。這 樣既能真實地模擬出軌道系統的振動與變形，同時計算數據量小，對硬件要求低。上述的線路模型庫中的線路數據包括外軌超高，線路走向、標準軌距、 軌底坡數據；線路鋼軌及軌枕的振動位移數據包括左右側鋼軌垂向、橫向平 動位移和扭轉角位移數據。這樣確定各個位置處線路鋼軌及軌枕的平衡位置時，考慮了線路幾何狀態 對線路鋼軌及軌枕所產生的偏移；再疊加各種振動位移，包括了列車行駛時鋼 軌及軌枕所產生的各種振動位移。從而本發明能夠更全面逼真地仿真出軌道系 統的動態綜合性能。上述鋼軌的關鍵位置處的輪廓點還有鋼軌上與各轉向架中心及車體中心 對應處的輪廓點；以及為了平滑鋼軌模型，在各主要關#1位置處進行三次樣條 插值得到的相應輪廓點。這樣，適當增加的關鍵位置，在計算量增加不多的情 況下，能使4莫擬出的鋼軌模型更為平滑、真實的表現出鋼軌的振動與變形。上述的線路模型庫中的線路數據還包括方向、軌距、高低和水平四種形 式的軌道不平順數據；在d步中，鋼軌各關鍵位置處輪廓點疊加的振動位移數 據中還包括軌道不平順數據。這樣確定各個位置處線路鋼軌及軌枕的平衡位置， 還進一步考慮了軌道不平順對線路鋼軌及軌枕所產生的偏移；使本發明仿真的 軌道系統的動態綜合性能更加真實。下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的詳細描述。
圖1是本發明實施例一在計算受振動影響的具體空間位置時，釆用的中間 軌道坐標系、軌道坐標系、世界坐標系之間的坐標變換關系的示意圖。 圖2是本發明實施例一仿真過程中的左、右側鋼M^坐標系的示意圖。 圖3是本發明實施例一仿真得出的一段鋼軌彈性變形示意圖。 圖4是本發明實施例一仿真過程中某段鋼軌模型的生成示意圖。
圖1及圖4中;c'，/, 為軌道坐標系,r",/', '為中間軌道坐標系,x附，yV〃 為世界坐標系。圖2中^,;^,Za為左側鋼庫九坐標系；x^,j^,2^ 為右側鋼庫九 坐標系。
具體實施方式
實施例一本發明的第 一種
具體實施例方式
一種鐵路軌道系統動態性能可視化仿真方 法包括如下步驟a、 從列車和線路模型庫中獲取選定的列車和線路數據，使用車輛一軌道耦 合系統動力學計算方法，按設定的速度算出受列車振動影響的線路范圍內的軌枕與鋼軌的時間-振動位移數據、時間-振動速度數據及時間-振動加速度數據，并存儲于動態凄t據庫中；或者受列車振動影響的線路范圍內的軌枕與鋼軌當前時刻的振動位移數 據、當前時刻的振動速度數據及當前時刻的振動加速度數據；通常受列車振動影 響范圍確定為列車總長及列車前后各25 ~ 50米。本例中，線路模型庫中的線路數據包括外軌超高，線路走向、軌距、軌 底坡數據；線路鋼軌及軌枕的振動位移數據包括左右側鋼軌垂向、橫向平動 位移和扭轉角位移數據；還包括方向、軌距、高低和水平四種形式的軌道不 平順數據。b、 初始化三維仿真場景，并在其中配置光源，從線鴻4莫型庫中獲取線路的 道床模型并顯示；c、 從線路模型庫中獲取軌枕模型及選定線路的軌枕間的相對結構數據，再 根據設定的速度和時間間隔，計算出列車在線路上行駛的距離；1、將當前時刻受列車振動影響的線路軌枕，按其所在線路中心線的兩相鄰 控制點間進行插值，得出當前時刻的線路軌枕在大地坐標系中的空間平衡位置。 線路中心線的兩相鄰控制點是指直線段的控制點是起始位置點，曲線段控制 點是在保證曲線平滑逼真還原，同時又能有效減少數據的存儲量而選定的若干 位置點；通常曲率半徑越小，控制點取得越多。其詳細做法如下如圖l所示，坐標系x'",/',z'"為世界坐標系，固結于線路中心線T的起始 點處；坐標系x",/,z"為一中間軌道坐標系，根據線路走向的數據，得出中間軌 道坐標系Z,/'，z"相對于z"'軸轉動的角度^ ,根據曲線處的外軌超高的線路數 據，得出軌道坐標系I',/,Z'饒;c'軸旋轉的角度^在直線處，該角度^為0。得出軌道坐標系x',/,z'和世界坐標系jc'",/",z'"之間的變換公式如下<formula>formula see original document page 9</formula>(1)式中，/'，/,/:'和r,/',yr分別代表與軌道坐標系x',/, 和世界坐標系/"， 相對應的單位矢量。根據線路數據，利用U)式可計算出每一根受振動影響的軌枕在世界坐標 系jc附,/',z"'的具體空間位置。2、根據線路數據及算出的當前時刻列車在線路上的位置，確定出受列車振 動影響范圍內鋼軌的關鍵位置處的輪廓點，即鋼軌的起始處及與車輪的接觸處 的鋼軌輪廓點。為了使得鋼軌更加平滑、逼真，鋼軌的關鍵位置處還包括鋼 軌上與各轉向架中心及車體中心對應處；以及為了平滑鋼軌模型，在各主要關鍵位置處進行三次樣條插值得到的相應位置。確定出這些關鍵位置處的輪廓點。 按鋼軌關鍵位置處的鋼軌輪廓點按其所在線路中心線的兩相鄰控制點間進 行插值，得出當前時刻的鋼軌輪廓點在大地坐標系中的空間平衡位置；其具體 步驟與方法如下在步驟a中從線路模型數據庫中獲取的線路數據包括左右側鋼軌型面輪廓 點數據。左、右側鋼軌型面輪廓點數據分別定義在圖2所示的左側鋼軌坐標系 ^,力i,^和右側鋼軌坐標系^,力w^中。再根據步驟a中從線路模型庫中 獲得的軌道方向、軌距、高低和水平不平順數據，以及計算出的左右側鋼軌的 橫向平動、垂向及扭轉角位移；對左、右側鋼軌利用以下的公式(2)、 (3)分 別進行平動和旋轉操作，將各輪廓點轉換為軌道坐標系x'，/,z'中。公式(2)、 (3)中^為鋼軌的標準軌底坡；&、 ^為左右側鋼軌的扭轉角位移。然后再 由公式(1)轉換到圖1的世界坐標系,，/〃，,中，這樣就可得出相應截面處鋼 軌輪廓點在世界坐標系中的空間平衡位置。<formula>formula see original document page 9</formula>(2) <formula>formula see original document page 10</formula>公式(2)中，Q，義"、代表左側鋼軌坐標系&，力￡,、中的的單位矢量； 公式(3)中，"，力w，&w代表右側鋼軌坐標系、《,少^，^ 中的的單位矢量。通常只關注輪軌接觸點處，即圖3中B、 D、 F、 H四個關鍵:位置處鋼軌的具 體振動形態，為了更準確地描述受影響范圍內鋼軌的振動形態，取鋼軌起始點A、 鋼軌上與各轉向架中心對應處的C、 G兩點、鋼軌上與車體中心對應的E點、鋼 軌終止點I截面處作補充增加的鋼軌關鍵位置。再根據列車的運行距離，即可 得到這些位置處截面輪廓點在世界坐標系x'",;/",z'"的空間平衡位置坐標數據。d、 將軌枕當前時刻的空間平衡位置與其相應的振動位移數據疊加，也即將 每根受振動影響的軌枕的垂向、橫向平動、及扭轉角位移與其空間平衡位置疊 加，得出線路軌枕的顯示空間位置；在三維場景中，按軌枕的顯示空間位置， 將其顯示出來，即實現了鐵路軌道系統中軌枕振動行為的可視化模擬。同時，根據左右側鋼軌各關鍵節點的空間平衡位置，將鋼軌各關鍵位置處 輪廓點相應的l展動位移數據疊加，由點、線、面的方式實時生成定位的左右側 鋼軌三維模型；并在三維場景中，將其顯示出來，即實現了鐵路軌道系統中鋼 軌振動行為的可視化模擬。以下結合圖4對鋼軌振動可禍/f匕的模擬過程進行詳 細的i兌明。現以圖4中的右側的AB段鋼軌模型(即圖3中A、 B兩處之間的鋼軌才莫型) 的生成為例，詳細說明鋼軌模型的生成過程。根據軌道結構設計尺寸，在軌道坐標系中，a、 b截面處鋼軌輪廓點/;尸2尸3…《，/r《《…《的靜態坐標值即在右側鋼軌坐標系x^，；^，z^中的坐標值已知。將每幀畫面中兩截面處的動力學數據 疊加到相應的靜態坐標值上，用以上方法，采用公式(l)、 (2)、 (3),即可依 次將每個截面處的各輪廓點在軌道坐標系x',/,z'中的坐標值變換到世界坐標系 x"'，/V"'中，利用一般的模型生成軟件(如Creator API等)，依次將各截面處 的/^2尸271'，尸2尸3尸3'尸2'，…,點連4妾成面，由面生成體ab段的鋼軌才莫型。e、 重復c d兩步驟，即可實現鐵路軌道系統動態性能可視化仿真。 總之，本發明通過將鋼軌、軌枕和道床進行裝配。實時地將道床模型、當
前時刻的畫面中鋼軌彈性變形后的模型及受車輛作用影響的軌枕，調入到整個 仿真場景中進行顯示，從而完整地實現了鐵路軌道系統動態性能可視化仿真方 法。實施例二本例與實施一的步驟基本相同，不同的僅僅是a步中，從三維列車和線路 模型庫中獲取選定的列車和線路數據，使用車輛一軌道耦合系統動力學計算方 法，按設定的速度計算出的是當前時刻的受列車振動影響的線路鋼軌及軌枕 振動位移數據。與實施例一相比，本例不是計算并存儲各時刻，而是僅僅計算當前時刻線 路鋼軌及軌枕的相關振動數據，邊計算邊顯示，對存儲設備要求更低，但對計 算設備(CPU)的性能要求更高。本發明方法配合車輛系統動力學可視化仿真，可完成列車與線路系統動態 性能的可視化仿真。
權利要求
1、 一種鐵路軌道系統動態性能可視化仿真方法，其步驟是a 、從列車和線路沖莫型庫中獲取選定的列車和線路數據，使用車輛一軌道耦 合系統動力學計算方法，按設定的速度算出受列車振動影響的線路范圍內的軌枕與鋼軌的時間-振動位移數據、時間-振動速度數據及時間-振動加速度數據，并存儲于動態數據庫中；或者受列車振動影響的線路范圍內的軌枕與鋼軌當前時刻的振動位移數 據、當前時刻的振動速度數據及當前時刻的振動加速度數據；b、 初始化三維仿真場景，并在其中配置光源，從線鴻4莫型庫中獲取線路的 道床模型并顯示；c、 從線路模型庫中獲取軌枕模型及選定線路的軌枕間的相對結構數據，再 根據設定的速度和時間間隔，計算出列車在線路上行駛的距離；將當前時刻受 列車振動影響的線路軌枕，按其所在線路中心線的兩相鄰控制點間進行插值， 得出當前時刻的線路軌枕在大地坐標系中的空間平衡位置；同時，根據線路幾何狀態數據及算出的當前時刻列車在線路上的位置，確 定出受列車振動影響范圍內鋼軌的關鍵位置處的輪廓點，即鋼軌的起始處及與 車輪的接觸處的鋼軌輪廓點；按其所在線路中心線的兩相鄰控制點間進行插值， 得出當前時刻的鋼軌在大地坐標系中的空間平衡位置；d、 將軌枕當前時刻的空間平衡位置與a步中計算出的相應振動位移數據疊 加，得出線路軌枕的顯示空間位置；在三維場景中，按軌枕的顯示空間位置將 軌枕顯示出來，即實現了鐵路軌道系統中軌枕振動行為的可視化模擬；根據左右側鋼軌各關鍵節點的空間平衡位置，將鋼軌各關鍵位置處輪廓點 相應的振動位移數據疊加，由點、線、面的方式實時生成定位的左右側鋼軌三 維模型；并在三維場景中，將其顯示出來，即實現了鐵路軌道系統中鋼軌振動行為的可視化模擬；e、 重復c-d兩步驟，即可實現鐵路軌道系統動態性能可視化仿真；若當 前時刻與列車車輪接觸位置的鋼軌截面為所顯示線路的鋼軌終止端面，則仿真 結束。
2、根據權利要求1所述的一種鐵路軌道系統動態性能可視化仿真方法，其特 征在于所述的受列車振動影響的線路范圍為列車總長及列車前后各2 5 ~ 5 0米。
3、 根據權利要求1所述的一種鐵路軌道系統動態性能可視化仿真方法， 其特征在于，所述的線路模型庫中的線路數據包括外軌超高，線路走向、軌 距、軌底坡數據；線路鋼軌及軌枕的振動位移數據包括左右側鋼軌垂向、橫 向平動位移和#>轉角位移凄史據。
4、 根據權利要求1所述的一種鐵路軌道系統動態性能可視化仿真方法， 其特征在于，所述的鋼軌的關鍵:位置還有鋼軌上與各轉向架中心及車體中心 對應處的輪廓點；以及為了平滑鋼軌模型，在各主要關鍵位置間進行三次樣條 插值得到的相應位置點。
5、 根據權利要求1所述的一種鐵路軌道系統動態性能可視化仿真方法， 其特征在于，所述的線路模型庫中的線路數據還包括方向、軌距、高低和水 平四種形式的軌道不平順數據；在d步中，鋼軌各關鍵:位置處輪廓點疊加的振 動位移數據中還包括軌道不平順數據。
全文摘要
本發明公開了一種鐵路軌道系統動態性能可視化仿真方法，它將受列車振動影響范圍內的鋼軌和車輪輪廓數據疊加其振動位移數據后，重建生成具有振動形態的鋼軌及車輪，模擬鋼軌與車輪的受力變形；從而實現鐵路軌道系統中鋼軌及車輪振動行為的可視化模擬。該方法能更真實地綜合模擬列車行駛時軌道系統的各種動態性能，集成性好；并能將列車及線路的動態狀態在三維場景中進行可視化顯示，直觀、形象，使用簡單方便。
文檔編號G06T17/00GK101122930SQ200710049808
公開日2008年2月13日 申請日期2007年8月21日 優先權日2007年8月21日
發明者楊吉忠, 王開云, 翟婉明, 蔡成標, 趙春發 申請人:西南交通大學