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CONTACT软件V22.1新版本功能

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摘要
本文简要介绍CONTACT软件新版本(V22.1)相比前一版本(V21.1)增加的计算功能和更改之处,主要如下
  • 新增了一个快速轨道模型“fast track”,该模型基于Kik-Piotrowski 算法和改进的FASTSIM算法实现;
  • 新增了轮轨型面曲线平滑算法,更便于用户控制平滑程度;
  • 调整了轮轨型面的输入参数以及几何定位方式。
请注意:新版本与之前版本相比,存在较多的兼容性问题。
1. 接触问题的快速近似求解
1.1 研究背景
近年来,CONTACT library版本(动态链接库,支持Matlab、Python、Fortran和C语言)已成为支撑科研人员进行轮轨系统动力学自编程分析的一个强大工具。借助软件提供的API(应用程序编程接口),用户可以方便地在自己的程序里调用CONTACT的动态库。这是目前最精确的计算,效率相对较低,如果用户试图提高效率,还得自己开发简化算法。
在这一版本中,CONTACT新增了两种快速的近似算法,用于计算轮轨接触斑形状和接触压力。软件提供了“fast track”快速轨道模型(Kik-Piotrowski 和改进的FASTSIM算法)和精确模型之间进行切换的选项,而且也支持CONTACT library版本。这为用户提供了一个更方便的策略,即在开发模型过程中随时采用快速模型进行调试验证,而在两点接触、多点接触等复杂的工况配置时才使用精确模型,如此可缩短模型开发周期
1.2 非赫兹接触问题的快速求解算法
轮轨接触分析一般分三步进行:
(1)确定接触位置;
(2)计算接触斑形状和法向压力分布;
(3)计算蠕滑率引起的切向面力[1,2]。
即便在考虑摇头角的情况下[3],第一步所需的时间也很少,因此这部分程序无需改进。对于第三步,可选择修正的FASTSIM算法[4]来代替精确的CONTACT算法,以减少时间。新版本主要针对第二步进行了改进,开发了快速算法,提高了效率,消除了快速计算轮轨接触问题的最终瓶颈。
我们在CONTACT中添加了两个近似的非赫兹算法,在大多数情况下,这两个算法都足够精确,与精确算法结果比较接近。当然,精确算法能提供更多的计算细节。最初,我们的目标是应用扩展的Kik-Piotrowski方法[5],因为它看起来最完整,很适合在CONTACT中实现。经过大量工作,这项研究的成果以两种不同的方法呈现,一种是基于Kik-PiotrowskiKPEC方法,另一种则是ANALYN方法的变体。
根据多体动力学仿真的需要,以上两种快速方法对于轮轨接触计算都是足够优秀的。特别是考虑到摩擦系数的不确定性,以及使用FASTSIM求解切向问题时引入的附加近似值,可以预见,这两种方法对轮轨磨耗和滚动接触疲劳分析会很有用。
1.3 改进的FASTSIM
fast track”的两种算法都采用FASTSIM来求解切向问题。FASTSIM基于切向面力(pxpy)和切向弹性位移(uxuy)间的线性假设,引入柔度系数Li,使得ux=Li pi。新版本改进了FASTSIM算法里柔度系数的灵活性,使得其支持大蠕滑工况,而在之前的Kalker方程[8]中未能很好地适用。软件采用混合的方法来实现,随着蠕滑率的增大,程序会自动从三个柔度系数切换到一个柔度系数。以切向合力结果为例,其相对于CONTACT精确解的误差会减半。
1.4 修改输入文件
制符BOUND新增了操控KPECANALYN快速算法的选项,分别是B=5B=6,这在用户手册第2.3.2章节中有详细介绍。
2. 轮轨接触的改进
2.1 处理异常的型面数据
从我们收集到的大量实测轮轨型面数据来看,有很多异常情况,如下图所示,这给接触力学计算带来很大的困难。
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因此我们需要进行额外的数据校验和修改过程,使之能用于轮轨接触计算。下面展示了就是新的钢轨型面输入的参数选项:

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其中,MIRRORZ选项是在21.1版本增加的,大括号表示这个选项是可选的,非必须的,缺省为0;该版本新增了一个可选选项PRFOPT,如果给定值,那么就新增一行来设置曲线光滑、之字形检测和扭结检测参数,这些选项在用户手册第3.2章节有详细介绍。

2.2 新的平滑算法

在此前版本中提供了基于样条的平滑算法,但对用户来说使用起来比较困难,特别是参数的选择。这与数据点间距有关,不同的型面有不同的点距,即使在同一个型面上也可能有不同的点距。此外,如果设置不当(过度平滑),会导致曲线形状失真[9]。

因此,我们又开发了三个新的曲线平滑程序:

1)应用罚函数于曲率来获得加权平滑的样条曲线;
2)应用罚函数于曲率变化来获得加权平滑的B样条曲线;
3)圆弧拟合法,使用圆弧拟合滑动窗口的轮廓点。

目前,这三种方法在对不同特征的实测型面上效果都差不多,主要好处在于它们比之前的方法更易于使用。其作用就像是低通滤波器,可以滤掉短波,而长波则不受影响。Lfilt参数直接反映了平滑效果。

由于向下兼容的需要,目前版本缺省的仍然是原来的平滑方法,建议尽可能使用以上三种新方法。随着版本的进一步更新,未来会将其改动。

2.3 单轮-单轨接触

在过去的CONTACT软件里,1号模块的轮轨接触计算都是基于一个轮对和两股钢轨匹配的工况;而现在的版本则只专注于单个车轮和一股钢轨匹配的工况,不必考虑与另一侧的交互作用。相应地,用户手册第三章的内容做了更新。这也是相对于以前版本改动较大之处,故存在兼容性问题。

3. 已解决的问题和总体改进

软件修正了1号模块3号模块的一些小问题,以及用于Matlab绘图的子程序。

许可机制:扩展了软件的许可机制,现已支持Docker平台,如使用亚马逊虚拟服务。前一个版本的网络浮动许可证有时会出现不稳定,与服务器断开连接的情况,这个问题可通过自动多次重试来解决,有效避免了程序的退出和中止。

次表面应力:通过选项ISUBS(2-7)可加快次表面应力计算的效率,子程序 plotstrs.m 中的选项 slc=‘max’ 可以简化对最大值的检查。

4. 兼容性

新版本的计算结果与前一版本一致,只有当使用FASTSIM(M=3)时例外,因为修改了柔度系数。

请注意,将以前版本的inp文件用于新版本计算时,需要修改以下格式:

  • 不再支持交替地计算左右不同型面的车轮,现在需要分别为左右轮指定型面文件;
  • 取消了控制符选项E1=4,6,8,以及Z1=4
  • 控制符选项E1=5,7分别应修改为E1=4,5
  • 控制符Z1=1,3时,输入参数如下:
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新版本对输出文件做了些修改,包含了轮轨型面以及每个计算工况的最大法向压力,这样对快速检查结果很有益处。

  • 子程序parse_out3.m 的默认行为已更改,返回结构体而不是数组。
与前一版本相比,mat文件的格式未作任何修改。但是,有关自编程调用CONTACT Library时的操作,改变了不少,如下:
  • 以下四个函数不再使用:
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  • 输入轮轨型面时,iparamrparam这两个参数增加了选项:
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  • iparamrparam两个参数的内容也发生了变动:
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  • 控制符EWHEEL的选项发生了变化,去除了选项4,6,8,并改变了选项5,7
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  • 此外,如果在MatlabPython环境进行调用,还需删除一些冗余选项,以下是一个典型的Matlab程序示例
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5. 已知问题
  • 在轮轨表面的绘图并未考虑真实的轨底坡;
  • 即使采用粘弹性材料模型时,次表面应力计算仍然使用弹性影响系数。
  • 参考文献
  • [1] E.A.H. Vollebregt. Detailed wheel/rail geometry processing using the conformal contact approach. Multibody System Dynamics, 52:135–167, 2021.
  • [2] E.A.H. Vollebregt, K. Six, and O. Polach. Challenges and progress in the understanding and modelling of the wheel–rail creep forces. Vehicle System Dynamics, 59(7):1026–1068, 2021.
  • [3] E.A.H. Vollebregt. Detailed wheel/rail geometry processing using the planar contact approach. Vehicle System Dynamics, 60(4):1253–1291, 2022.
  • [4] M. Spiryagin, O. Polach, and C. Cole. Creep force modelling for rail traction vehicles based on the Fastsim algorithm. Vehicle System Dynamics, 51:1765–1783, 2013.
  • [5] B. Liu, S. Bruni, and E.A.H. Vollebregt. A non-Hertzian method for solving wheel-rail normal contact problem taking into account the effect of yaw. Vehicle System Dynamics, 54(9):1226– 1246, 2016.
  • [6] J. Piotrowski and W. Kik. A simplified model of wheel/rail contact mechanics for non-Hertzian problems and its application in rail vehicle dynamics simulations. Vehicle System Dynamics, 46(1-2):27–48, 2008.
  • [7] M.Sh. Sichani, R. Enblom, and M. Berg. A novel method to model wheel-rail normal contact in vehicle dynamics simulation. Vehicle System Dynamics, 52:1752–1764, 2014.
  • [8] E.A.H. Vollebregt and P. Voltr. Improved accuracy for FASTSIM using one or three flexibility values. Vehicle System Dynamics, 2022.
  • [9] E.A.H. Vollebregt, A. Darbani, A. Ashtekar, and K. Oldknow. Smoothing procedures for detailed wheel/rail geometry processing. In P. Meehan and W. Yan et al., editors, Proceedings of the 12th International Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems, Australia, 2022. Monash University.