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CONTACT软件V23.2新版本功能

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摘要

本文简要介绍CONTACT软件V23.2版本相比V23.1版本增加的计算功能和更改之处，主要如下：

新增车轮变截面功能，用于模拟车轮圆周不圆

1 模拟车轮不圆

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s_fc需替换为绕轮轴的转角参数θ_wc∈ [−, ) ，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。

图1 扁疤车轮与钢轨形成的接触斑

（暗红色线条对应理想车轮）

2 已解决的问题和总体改进

该版软件主要改进之处如下：

修正了基于网格的接触点搜索法中的关于敏感度估计/_s的程序错误，对于给定垂向力的工况计算效率提高1.5倍（D=5，N₁=1）；
改进了滚动台模拟时轮对大摇头角工况的支持，引入接触点纵向位置参数；
修正了进行共形接触计算（D=4）时，npot_max功能的一个问题（npot_max是前一个版本开始引入的参数）；
新增了一个控制符X（XFLOW），当X=1时，程序读取第四组控制符PSFLRIN，对应轮轨型面、平滑、合力、接触位置、影响系数、法向和切向算法等；
解决了KPEC算法处理微小接触斑时的一个问题；
cntc_finalize-last函数被调用时，CONTACT能自动重置输出文件，而无需进行卸载和加载dll文件的操作；
新增函数getprofilevalues_new，用于型面文件重采样；
删除了圆弧平滑法；
增强了函数cntc_getcpresults.m，使用plot3d绘图时能处理轮轨型面数据。

3 兼容性

相对于前一版本的软件，输入输出文件格式并未发生明显变化，但Mat文件增加了轮对点头角度参数_s。

调用CONTACT动态库的方法和格式并未改变，但新增子程序cntc_getprofilevalues_new，代替原来的cntc_getprofilevalues。

扩展了后处理绘图的matlab脚本程序

make_2dspline: 增加了输入选项xij, use_insert, use_cylindr；
eval_2dspline: 增加了输入选项x_in和输出选项x_out；
plot_2dspline: 删除了第一个选项sol，x/urange重命名为u/vrange，删除了coordsys，增加了typplot 和reflec_a；
plot_update: 增加了选项 show_angl。

4 已知的问题和局限

使用变截面的钢轨或车轮计算时会非常慢；
迹线法[D=2]不能很好地求解变截面问题，可换成基于网格的方法[D=5]；
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

S.D. Iwnicki, J.C.O. Nielsen, and G.Q. Tao. Out-of-round railway wheels and polygonisation. Vehicle System Dynamics, 61(7):1787–1830, 2023.
E.A.H. Vollebregt, P. Klauser, A. Keylin, P. Schreiber, D. Sammon, and N. Wilson. Extension of CONTACT for switches and crossings and demonstration for S&C benchmark cases. In W. Huang and M. Ahmadian, editors, The 28th IAVSD Symposium on Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks (IAVSD2023), Lecture Notes in Mechanical Engineering, page paper 236, Cham, 2023. Springer.
M. Maglio, A. Pieringer, J.C.O. Nielsen, and T. Vernersson. Wheel-rail impact loads and axle bending stress simulated for generic distributions and shapes of discrete wheel tread damage. Journal of Sound and Vibration, 502:116085, 2021.
Klara Mattsson. Wheel-rail impact loads generated by wheel flats. Master’s thesis, Chalmers University of Technology, 2023.