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CONTACT软件V23.1新版本功能

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摘要





本文简要介绍CONTACT软件V23.1版本相比V22.1版本增加的计算功能和更改之处,主要如下:
  • 新增轨道变截面功能,用于求解道岔区轮轨接触
  • 修改了左侧轮轨接触计算采用的坐标系,与之前版本的符号相反

1 模拟道岔




1.1 研究背景

近年来,有关车辆-道岔交互作用的研究越来越多。目前国际上已有一些测试软件功能的基准考题[1, 2],文献[3, 4]介绍了详细的方法。虽然这些基准考题测试的结果显示了其在车辆动力学仿真方面总体上是有效的和可靠的,但是在接触点位置、角度、接触斑尺寸和压力分布等精细化方面尚有改进的余地。在美国联邦铁路管理局(FRA)的资助下,V23.1版本的CONTACT软件扩展了这部分功能,可用于校验快速算法的可靠性,如图1

1 车轮与翼轨接触
1.2 轨道变截面
道岔区的钢轨由一组变截面组成(如图2),在CONTACT里称为切片文件(slices file。用户手册[5]有关于切片文件的详细介绍。

图2 道岔区几何生成及插值示意图

切片文件包含截面的几何特征信息,用于引导CONATCT软件进行二维样条曲线的构造和估计。

  • 特征信息有助于缓解廓形斜率和曲率突变时引起的样条曲线波动;
  • 特征信息还用于指明短切片和长切片的位置对应关系。
软件提供了两种算法用于相邻切片的连接与插值:一是直接使用切片上的点得到插值样条,二是使用切片上的的点作为控制多边形的角点以获得近似样条,使其更加光滑。
1.3 三维接触搜寻

CONTACT使用文献[6]中的完全三维接触搜寻算法,充分考虑到摇头和纵向移动效应,能精确计算出接触位置。通过一组变截面构造出道岔区的三维表面,用于轮轨接触计算初始的未变形距离计算。

软件提供了两种算法来定位接触点,一是网格法,二是迹线法。研究表明,迹线法对样条曲线的波动很敏感,因此对切片文件有严格的要求。而网格法则有更好的鲁棒性,但计算效率相对较低。
  • 使用迹线法时,控制符D取值24,分别对应平面和曲面接触斑(共形);
  • 使用网格法时,控制符D取值5,目前仅适用于平面接触斑。

2 左侧轮轨接触计采用的坐标系





之前的版本中,对于左侧轮轨接触的计算实际是右侧的镜像。从这一版本起,软件统一采用右手坐标系来计算左右两侧的轮轨接触,横坐标自左向右是递增的,如图3所示。

图3 轨道与轮轨接触坐标系


3 已解决的问题和总体改进





该版软件主要改进之处如下:

  • CONTACT Library for Matlab新增了接口函数“cntc_getcpresults”,用于检索一个接触斑所有相关的结果和配置,其用法与loadcase.m相同,这样无需mat文件就可以使用plot3d.m进行绘图;

  • 使用模块1进行轮轨接触分析时,引入了一个网格数量限值“npot_max”,以免用户定义不合理的轮轨几何配置工况导致产生过大的压入量,这个值缺省为20000使用独立版本时,通过控制符G来修改;使用CONTACT Library时,使用函数“cntc_setflags”来修改;

  • 新增功能“Turning of the reference angle”,以增强相邻接触斑合力的连续性。选项为D_TURN,用户手册有详细介绍;
  • 采用了一个求解三次样条曲线的新算法“Cardano”,因而模块1的计算结果与之前版本会有微小差异;
  • 修改了Z坐标自动镜像探测功能,以改善对道岔区一组钢轨截面的处理;
  • 读取轮轨廓形的Matlab脚本文件read_profile.m新增了scale_yz选项,用于将单位转换(如:由mmm)。

4 兼容性





  • 由于在前一版本V22.1中增加了设置钢轨位置的选项,为了保证程序兼容性,增加了两个子程序,分别为cntc_settrackdimensions_oldcntc_settrackdimensions_new,同时也保留了原来的子程序名称cntc_settrackdimensions实际上就是new);
  • 进行左侧轮轨接触分析时软件的输入有所变化,如使用模块1控制符CONFIG = 0 4;Y坐标统一向右递增,因而左侧轮轨相关的输出量一般都有符号改变(Output文件、Mat文件、Subs文件);详见用户手册[5];
  • Mat文件有所修改:增加了车轮名义半径参数,脚本文件read_profile.m中增加了选项scale_yz
  • 调用CONTACT Library动态链接库的基本操作并无改变,但需注意左侧变量的符号改变。

5 已知的问题和局限





  • 相对于固定的单一轨道截面,使用变截面计算时会非常慢;
  • 对于一些异常截面,迹线法不能求解时,可换成网格法;
  • 即使采用粘弹性材料模型时,次表层应力计算仍然使用弹性影响系数。

参考文献





[1]Y. Bezin and B.A. Pålsson. Multibody simulation benchmark for dynamic vehicle-track interaction in switches and crossings: modelling description and simulation tasks. Vehicle System Dynamics, 2021.

[2]Y. Bezin, B.A. Pålsson, W. Kik, P. Schreiber, J. Clarke, V. Beuter, M. Sebes, I. Persson, H. Magalhaes, P. Wang, and P. Klauser. Multibody simulation benchmark for dynamic vehicle-track interaction in switches and crossings: results and method statements. Vehicle System Dynamics, 2021.

[3]Repository for participants’ method statements. University of Huddersfield, 2021. https://doi.org/10.34696/s60x-ay18.

[4]H. Magalhães, F. Marques, P. Antunes, P. Flores, J. Pombo, J. Ambrósio, A. Qazi, M. Sebes, H. Yin, and Y. Bezin. Wheel-rail contact models in the presence of switches and crossings. Vehicle System Dynamics, 2022. DOI: 10.1080/00423114.2022.2045026.

[5]E.A.H. Vollebregt. User guide for CONTACT, Rolling and sliding contact with friction. Technical Report TR20-01, version 22.2, Vtech CMCC, 2022. Seewww.cmcc.nl/documentation.

[6]E.A.H. Vollebregt. Detailed wheel/rail geometry processing using the planar contact approach.Vehicle System Dynamics, 60(4):1253–1291, 2022. Open access.


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