Simpack在鐵路貨物運輸課程教學中的應用

摘 要：隨著計算機仿真技術的不斷發展，鐵路車輛運動學/動力學仿真的應用范圍不斷擴大。在鐵路貨物運輸課程中，應用運動學/動力學仿真技術可以讓學生清晰的了解鐵路貨運中相關工程問題的原理，提高教學效果，讓學生更加深刻掌握理論知識并應用于實踐，提高學生的綜合素質和創新能力。

關鍵詞：車輛動力學 貨物運輸 Simpack 教學應用

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（a）-0121-02

鐵路是國家重要的基礎設施，國民經濟的大動脈，交通運輸體系的骨干，也是國民經濟和社會發展的先行部門。鐵路貨物運輸是鐵路運輸專業一門重要的專業基礎課。對于鐵路貨物運輸課程中的工程問題，目前教學過程中主要通過圖解、幾何分析的方法進行講授，但內容枯燥，學生興趣不高，在很大程度上影響到本課程的教學效果和學生的學習積極性。實踐表明，在教學中適當引入工程類軟件，對課程中涉及的相關問題進行建模和仿真，不僅可以把一些抽象的概念、原理轉化成為生動形象的內容，直觀表達貨物運輸過程的結構組成，而且還可以分析整體及各組成部分的運動學或動力學特性，彌補傳統教學中的不足[1-2]。

1 Simpack多體動力學分析軟件

SIMPACK軟件是德國INTEC Gmbh公司開發的針對機械/機電系統運動學/動力學仿真分析的多體動力學分析軟件包。它以多體系統計算動力學為基礎，包含多個專業模塊和專業領域的虛擬樣機開發系統軟件。其鐵路模塊在國際市場上的占有率達到了49%，居于首位[3]。利用SIMPACK軟件，可以描述并預測復雜機械系統的運動學及動力學性能，可以分析其系統的振動特性、受力狀況以及零部件的運動位移、速度、加速度等。其基本原理是通過搭建包括運動部件、鉸接、約束以及力元素等在內的機械系統動力學模型。

2 基于Simpack的鐵路貨物運輸課程教學

以超長貨物使用一輛四軸貨車裝載，通過平面曲線為例。為保證貨物運輸安全、計算超限等級，需要確定通過平面曲線時貨物的外偏差量。參數如下：NX70型平車，車地板長15.4 m、轉向架中心距10.92 m，貨物總長20 m、寬度2700 mm、居中裝載，圓曲線半徑300 m。由于貨物寬度小于車地板寬度，只需計算外偏差量。貨物裝載上車后行經圓曲線的俯視示意圖見圖1。

2.1 傳統解法

幾何計算是車輛在圓曲線上處于完全理想的狀態，即轉向架各部分、車體與轉向架的公差、間隙等均不考慮的情形。但在實際中，由于多個間隙的存在，轉向架中心并不能完全投影在線路中心線上，因此，傳統解法并不能完全反映實際情況。可見，運用傳統的求解方法進行計算，需要學生對幾何定理、近似計算等較為熟悉，但對于現場經歷較少的學生來說，傳統解法僅僅是問題的解決，不便于理解掌握。

2.2 Simpack運動學仿真分析

2.2.1 虛擬樣車模型建立

Simpack軟件提供的鐵路模塊可根據實際車輛的參數進行虛擬樣車的建立。該文選定的為NX70型平車，裝用轉K6型轉向架。整車模型共有22個剛體，主要包括貨物1件、車體1個、搖枕2個、側架4個、承載鞍8個、下交叉支撐裝置2套、輪對4對。其中貨物與車體之間采用零自由度連接，車體與搖枕通過心盤和常接觸旁承連接，搖枕與側架通過搖枕彈簧相連，側架與輪對通過承載鞍連接。受力情況如下：一系懸掛考慮縱向、橫向和垂向剛度，縱向和橫向摩擦力；二系懸掛考慮縱向、橫向和垂向剛度，橫向、垂向摩擦力；心盤與常接觸旁承處考慮摩擦力形成的回轉阻力矩；考慮承載鞍與側架導框的縱向、橫向間隙，搖枕擋與側架的間隙，間隙消除后構件之間為剛性沖擊。對應的整車模型及曲線如圖3所示。

2.2.2 仿真結果分析

在Solver Setting中將采樣頻率設置為50 Hz，Vehicle Globals中設置車輛運行速度為50 km/h。在貨物前端中部與線路中心線之間設置Sensor，實時測量貨物端部的外偏差量。點擊進行仿真計算并輸出結果。

完成仿真分析后，可以在Simpack后處理中導入結果文件，輸出各種數據曲線并讀取曲線上各點坐標數值，并能夠對運行狀態進行動畫回放。圖4顯示了貨物端部在整個仿真運行過程中的外偏差量。可以看出車輛在從直線經緩和曲線運行至圓曲線、再經緩和曲線至直線整個過程貨物端部外偏差量的變化情況。在圓曲線上時的外偏差量為128 mm，相比理論計算大11 mm，因為虛擬樣車模型中考慮了轉向架結構之間的間隙及輪軌接觸關系，相比理論計算更加能夠反映實際情況。

仿真模型中可任意增加Sensor的數量和位置，研究所關心的位置點在運行中的變化情況，并在動畫回放中實時觀察。圖5即顯示了車輛運行在圓曲線上時貨物端部的外偏差量。

可以看出，Simpack軟件在鐵路貨物運輸課程教學中具有極大的優越性：（1）有效彌補了傳統解法的不足。對于工況復雜的情形，如考查車輛前轉向架運行于緩和曲線上、后轉向架仍然在直線上時的貨物端部外偏差量，數學計算則相當繁瑣，需要花費大量的時間和精力分析研究。對于接觸工程現場較少的學生很難掌握和理解，應用Simpack仿真演示則問題迎刃而解。（2）不僅能夠直觀的演示出貨物運輸過程的情況，而且可以輸出數據進行后期分析。便于學生對于所研究問題的理解和掌握，也極大地激發了學生的學習積極性和主動性。課后可方便的進行練習，促進了學生對相關軟件的學習和掌握。

3 結語

該文研究Simpack軟件在鐵路貨物運輸課程教學中的應用，利用計算機仿真技術進行鐵路貨運中相關工程問題的教學。在實際教學中給予學生多體動力學/運動學基本原理和方法的介紹，并應用Simpack軟件進行建模、仿真，并解決課程中遇到的實際問題，將抽象的問題通過計算機進行動態展現，加深學生對理論知識的掌握，激發學生學習的興趣，如果能夠掌握Simpack軟件的使用，可提高學生綜合素質和創新能力。

參考文獻

[1] 陳賽克.Solidworks軟件在機械原理教學中的應用[J].機械研究與應用，2013（6）：146-150.

[2] 石云霞，黃一晴，沈景鳳.ADAMS在機械原理課程教學中的應用[J].軟件導刊，2014（12）：204-206.

[3] 陳超.鐵路通用貨車重車重心合理限制高度的研究[D].北京：北京交通大學，2011.