CN110795877B - 一种基于流固耦合的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流固耦合的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，运用有限元分析软件，使用流固耦合求解的方法对列车从明线工况转至隧道工况时受电弓受到的空气阻力进行数值模拟，并将此空气阻力(包括隧道空气附加阻力)的受力状态施加到固态结构受力分析中，从而计算出受电弓作动装置电机为抵消此受力所需的扭矩补偿量，以此作为受电弓主动控制的参数输入并使相应作动装置电机给予一定的扭矩补偿，以抵消隧道空气附加阻力对弓网受流状态的影响，为受电弓主动控制***提供数据支持，以实现弓网接触作用离差小、磨耗低，使列车保持稳定的动态受流。特别适用于高铁列车在明线工况与隧道工况转换的情况下受电弓作动装置电机扭矩补偿量的计算。

Description

一种基于流固耦合的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法

技术领域

本发明涉及受电弓受流质量技术领域，尤其涉及一种基于流固耦合的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法。

背景技术

随着我国高铁技术和市场占有量逐步处于世界领先地位，受电弓与接触网关系成为亟待优化的问题。我国高铁动车组均采用电力驱动，受电弓受流成为保证列车能源动力输入的关键环节。因此，保证和提升受流质量，成为我国高速铁路列车技术中关键的优化方向之一。为此，对受电弓控制技术提出了新的要求。

在受电弓受流质量评价中，弓网接触力是其中一个重要的评价指标。产生弓网接触力的因素较多，其中三个因素由受电弓与接触网本身的材质和结构所决定，分别为：升弓***对滑板造成的竖直向上的静态接触力、接触网本身材质弹性差异造成的受电弓与本身归算质量相关的上下交变动态接触力、以及受电弓各部件连接造成的阻尼力。在沿用现有设计方案的情况下，这三种因素造成的弓网接触力均保持固定，唯一在列车运行过程中会因工况条件不同而产生变化的是受电弓受气流影响造成的空气阻力及表面压力，不确定的气流会使弓网接触力过大或过小，都会引起较大的机械磨损和离线率增加。

受力情况对于实现受电弓主动控制至关重要，特别是列车运行过程中，如遇隧道等线路条件，受电弓所受空气阻力与隧道空气附加阻力总和变化明显，造成的弓网接触压力波动较大。因此，如何准确地计算高速铁路受电弓作动装置末端电机为抵消隧道工况对弓网接触力的影响而需补偿的电机扭矩，并为受电弓主动控制***提供数据支持，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于流固耦合的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，用以抵消突增的隧道空气附加阻力对弓网受流质量的影响。

因此，本发明提供了一种基于流固耦合的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，包括如下步骤：

S1：利用有限元分析软件ANSYS，建立流固耦合求解器；

S2：建立计算所需的物理空间模型、列车运行所经过的隧道模型、列车模型以及受电弓结构模型；

S3：对所述物理空间模型内的空气流体进行流体分析；

S4：对所述受电弓结构模型进行结构分析；

S5：根据所述流体分析和所述结构分析的数值模拟结果，计算受电弓作动装置电机扭矩补偿量。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中，步骤S1，利用有限元分析软件ANSYS，建立流固耦合求解器，具体包括如下步骤：

S11：在有限元分析软件ANSYS中，打开Workbench对话框，将Fluid Flow模块与Static Structural模块连接，完成流固耦合求解器的软件环境设置。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中，步骤S3，对所述物理空间模型内的空气流体进行流体分析，具体包括如下步骤：

S31：在Fluid Flow模块中对由所述物理空间模型、所述隧道模型、所述列车模型以及所述受电弓结构模型组成的整体模型进行网格化，设置整体模型网格边界条件，将列车模型网格设置为动网格，将隧道模型壁面和物理空间模型壁面设置为固定网格，并对所述动网格的速度和方向加载UDF或Profile文件；

S32：在Fluid Flow模块中设置流体分析求解器，选择湍流模型和流场材料，设置所述动网格的时间步长和迭代次数，开始进行迭代；

S33：迭代完成后，保存流体分析求解结果，并使用结果后处理软件对所述流体分析求解结果进行查看和分析，得到受电弓结构表面风压分布图。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中，步骤S4，对所述受电弓结构模型进行结构分析，具体包括如下步骤：

S41：将所述受电弓结构模型载入Static Structural模块；

S42：在所述受电弓结构模型的表面生成网格，并添加对所述受电弓结构模型的受力约束条件；其中，所述受力约束条件为所述结构分析所需的边界条件；

S43：根据受电弓的真实结构和受电弓-车体连接方式，选择相应的约束方式，模拟受电弓结构的受力方式；

S44：在Static Structural模块中选择“输入载荷”，将得到的受电弓结构表面风压分布图在Static Structural模块中施加到受电弓结构表面；

S45：设置求解的目的为求解受电弓结构的等效应力和变形量，选择“Solve”按钮，进行求解计算，得到受电弓结构所受应力值及等效应力分布图。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中，步骤S5，根据所述流体分析和所述结构分析的数值模拟结果，计算受电弓作动装置电机扭矩补偿量，具体包括如下步骤：

S51：根据计算得到的受电弓结构所受应力值及等效应力分布图，选取受电弓作动装置，输出所述受电弓作动装置的受力值；

S52：根据所述受电弓作动装置的受力值以及受电弓作动装置与电机的连接方式、连接结构，计算受电弓作动装置电机为抵消空气阻力变化对受流质量的影响而所需的扭矩补偿量。

本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，运用有限元分析软件，使用流固耦合(即Fluid Flow和Static Structural结合)求解的方法对高速列车从明线工况转换至隧道工况时受电弓受到的空气阻力进行数值模拟，并将此空气阻力(包括隧道空气附加阻力)的受力状态施加到固态结构受力分析中，从而计算出受电弓作动装置电机为抵消此受力所需的扭矩补偿量，以此作为受电弓主动控制的参数输入并使相应作动装置电机给予一定的扭矩补偿，以抵消隧道空气附加阻力对弓网受流状态的影响，为受电弓主动控制***提供数据支持，以实现弓网接触作用离差小、磨耗低，使列车保持稳定的动态受流。本发明针对整体结构***从明线工况下转换至隧道工况时受电弓受到额外隧道空气附加阻力而影响受流质量，需要受电弓控制***提供额外扭矩补偿的问题提出，特别适用于高铁列车在明线工况与隧道工况转换的情况下受电弓作动装置电机扭矩补偿量的计算。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于流固耦合的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法的流程图之一；

图2为本发明提供的一种基于流固耦合的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法的流程图之二；

图3为以高铁列车CRH380A为例构建的列车模型和受电弓结构模型的侧视图；

图4为以高铁列车CRH380A为例构建的列车模型和受电弓结构模型的正视图；

图5为以高铁列车CRH380A为例构建的隧道模型和物理空间模型的示意图；

图6为本发明提供的一种基于流固耦合的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法的流程图之三；

图7为列车模型和受电弓结构模型网格化效果图；

图8为列车模型、隧道模型和物理空间模型网格化效果图；

图9为动网格交换面原理示意图；

图10为本发明提供的一种基于流固耦合的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法的流程图之四；

图11为本发明提供的一种基于流固耦合的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法的流程图之五；

图12为图11对应的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。

本发明提供的一种基于流固耦合的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1：利用有限元分析软件ANSYS，建立流固耦合求解器；

S2：建立计算所需的物理空间模型、列车运行所经过的隧道模型、列车模型以及受电弓结构模型；

S3：对物理空间模型内的空气流体进行流体分析；

S4：对受电弓结构模型进行结构分析；

S5：根据流体分析和结构分析的数值模拟结果，计算受电弓作动装置电机扭矩补偿量。

本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，运用有限元分析软件ANSYS，使用流固耦合(即Fluid Flow和Static Structural结合)求解的方法对高速列车从明线工况转换至隧道工况时受电弓受到的空气阻力进行数值模拟，并将此空气阻力(包括隧道空气附加阻力)的受力状态施加到固态结构受力分析中，从而计算出受电弓作动装置电机为抵消此受力所需的扭矩补偿量，以此作为受电弓主动控制的参数输入并使相应作动装置电机给予一定的扭矩补偿，以抵消隧道空气附加阻力对弓网受流状态的影响，为受电弓主动控制***提供数据支持，以实现弓网接触作用离差小、磨耗低，使列车保持稳定的动态受流。本发明针对整体结构***从明线工况下转换至隧道工况时受电弓受到额外隧道空气附加阻力而影响受流质量，需要受电弓控制***提供额外扭矩补偿的问题提出，特别适用于高铁列车在明线工况与隧道工况转换的情况下受电弓作动装置电机扭矩补偿量的计算。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中的步骤S1，利用有限元分析软件ANSYS，建立流固耦合求解器时，如图2所示，具体可以包括如下步骤：

S11：在有限元分析软件ANSYS中，打开Workbench对话框，将Fluid Flow模块与Static Structural模块连接，完成流固耦合求解器的软件环境设置。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中的步骤S2，建立计算所需的物理空间模型、列车运行所经过的隧道模型、列车模型以及受电弓结构模型时，具体如下：物理空间模型尺寸需要远远大于列车本身尺寸和隧道尺寸，可以将物理空间模型的长度设置为列车车身长度的10倍，将物理空间模型的宽度设置为列车车身宽度的20倍，将物理空间模型的高度设置为列车模型高度的20倍，这样，可以防止因物理空间尺寸局限造成活塞效应而影响对列车进入隧道过程产生的隧道空气附加阻力进行精确地分析。列车经过的隧道尺寸按照工程实际尺寸建造，符合工程实际阻塞比，可以取0.13。列车模型以我国现行常见高铁列车CRH380A为例进行构建，全车共有8节车厢(6M2T)，头车与尾车的长度均为26.5米，中间车的长度为25米，车辆的宽度为3.38米，车辆的高度为3.9米。受电弓结构模型以DSA380为例，按照实物真实零件分布及结构进行构建。构建的列车模型1和受电弓结构模型2如图3(侧视图)和图4(正视图)所示，构建的隧道模型3和物理空间模型4如图5所示。以上所有几何模型均准确按照相关实物尺寸绘制，之后进行几何布尔运算。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中的步骤S3，对物理空间模型内的空气流体进行流体分析时，如图6所示，具体可以包括如下步骤：

S31：在Fluid Flow模块中对由物理空间模型、隧道模型、列车模型以及受电弓结构模型组成的整体模型进行网格化，设置整体模型网格边界条件，将列车模型网格设置为动网格，将隧道模型壁面和物理空间模型壁面设置为固定网格，并对动网格的速度和方向加载UDF或Profile文件；列车模型1和受电弓结构模型2网格化效果如图7所示，列车模型1、隧道模型3和物理空间模型4网格化效果如图8所示；

具体地，在Fluid Flow模块中对整体模型进行网格化，网格化可以选用四面体网格，在网格的关键位置进行加密。由于在整体模型的运算过程中，列车模型与隧道模型之间存在相对运动，因此，可以设置整体模型网格边界条件，将列车网格设置为动网格，并对动网格的速度和方向加载UDF或Profile文件。动网格交换面原理示意图如图9所示，列车模型1从隧道模型的入口5进入，首先进入第一区域6，通过交换面7与第二区域8进行信息交换，在此过程中，隧道模型的壁面9保持相对稳定。由于在整体模型的运算过程中，不涉及流体的进出口，因此，可以设置为压力入口和压力出口，且压力均为零。另外一部分网格，例如隧道壁面和计算空间壁面，由于不存在网格运动，因此，可以将隧道壁面和计算空间壁面设置为固定网格；

S32：在Fluid Flow模块中设置流体分析求解器，选择湍流模型和流场材料，设置动网格的时间步长和迭代次数，开始进行迭代；

具体地，在网格设置完成之后，可以在Fluid Flow模块中设置流体分析求解器，选择合适的湍流模型，例如k-epsilon，并选择流场材料，在本发明中，空气充满整个计算空间，列车模型按照指定的方向轨迹运动，空气和列车模型形成指定速度的相对运动。由于本发明涉及到动网格，因此，可以设置相应的时间步长和迭代次数，以模拟整个列车进出隧道的过程，例如，整个运动可以持续5秒，时间步长可以设为0.001，共计迭代5000次；

S33：迭代完成后，保存流体分析求解结果，并使用结果后处理软件对流体分析求解结果进行查看和分析，得到受电弓结构表面风压分布图。具体地，结果后处理软件可以为CFD-POST。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中的步骤S4，对受电弓结构模型进行结构分析时，如图10所示，具体可以包括如下步骤：

S41：将受电弓结构模型载入Static Structural模块；

具体地，只保留受电弓结构模型，去除物理空间模型、隧道模型以及列车模型；

S42：在受电弓结构模型的表面生成网格，并添加对受电弓结构模型的受力约束条件；其中，受力约束条件为结构分析所需的边界条件；

S43：根据受电弓的真实结构和受电弓-车体连接方式，选择相应的约束方式，模拟受电弓结构的受力方式；

S44：在Static Structural模块中选择“输入载荷”，将得到的受电弓结构表面风压分布图在Static Structural模块中施加到受电弓结构表面；

S45：设置求解的目的为求解受电弓结构的等效应力和变形量，选择“Solve”按钮，进行求解计算，得到受电弓结构所受应力值及等效应力分布图。具体地，在求解计算完成后，可以在Static Structural软件界面里查看受电弓结构所受应力值及等效应力分布图。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中的步骤S5，根据流体分析和结构分析的数值模拟结果，计算受电弓作动装置电机扭矩补偿量时，如图11(流程图)和图12(流程示意图)所示，具体可以包括如下步骤：

S51：根据计算得到的受电弓结构所受应力值及等效应力分布图，选取受电弓作动装置，输出受电弓作动装置的受力值；

S52：根据受电弓作动装置的受力值以及受电弓作动装置与电机的连接方式、连接结构，计算受电弓作动装置电机为抵消空气阻力变化对受流质量的影响而所需的扭矩补偿量；这样，可以抵消因突发的隧道工况给受电弓带来的额外隧道空气附加阻力，以保持弓网间接触力，提高受电弓受流质量。

本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，运用有限元分析软件ANSYS，使用流固耦合(即Fluid Flow和Static Structural结合)求解的方法对高速列车从明线工况转换至隧道工况时受电弓受到的空气阻力进行数值模拟，并将此空气阻力(包括隧道空气附加阻力)的受力状态施加到固态结构受力分析中，从而计算出受电弓作动装置电机为抵消此受力所需的扭矩补偿量，以此作为受电弓主动控制的参数输入并使相应作动装置电机给予一定的扭矩补偿，以抵消隧道空气附加阻力对弓网受流状态的影响，为受电弓主动控制***提供数据支持，以实现弓网接触作用离差小、磨耗低，使列车保持稳定的动态受流。本发明针对整体结构***从明线工况下转换至隧道工况时受电弓受到额外隧道空气附加阻力而影响受流质量，需要受电弓控制***提供额外扭矩补偿的问题提出，特别适用于高铁列车在明线工况与隧道工况转换的情况下受电弓作动装置电机扭矩补偿量的计算。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种基于流固耦合的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：利用有限元分析软件ANSYS，建立流固耦合求解器；

S2：建立计算所需的物理空间模型、列车运行所经过的隧道模型、列车模型以及受电弓结构模型；

S3：对所述物理空间模型内的空气流体进行流体分析；

S4：对所述受电弓结构模型进行结构分析；

S5：根据所述流体分析和所述结构分析的数值模拟结果，计算受电弓作动装置电机扭矩补偿量；

其中，步骤S4，具体包括如下步骤：

S41：将所述受电弓结构模型载入Static Structural模块；

S42：在所述受电弓结构模型的表面生成网格，并添加对所述受电弓结构模型的受力约束条件；其中，所述受力约束条件为所述结构分析所需的边界条件；

S43：根据受电弓的真实结构和受电弓-车体连接方式，选择相应的约束方式，模拟受电弓结构的受力方式；

S44：在Static Structural模块中选择“输入载荷”，将得到的受电弓结构表面风压分布图在Static Structural模块中施加到受电弓结构表面；

S45：设置求解的目的为求解受电弓结构的等效应力和变形量，选择“Solve”按钮，进行求解计算，得到受电弓结构所受应力值及等效应力分布图；

步骤S5，具体包括如下步骤：

S51：根据计算得到的受电弓结构所受应力值及等效应力分布图，选取受电弓作动装置，输出所述受电弓作动装置的受力值；

S52：根据所述受电弓作动装置的受力值以及受电弓作动装置与电机的连接方式、连接结构，计算受电弓作动装置电机为抵消空气阻力变化对受流质量的影响而所需的扭矩补偿量。

2.如权利要求1所述的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，其特征在于，步骤S1，利用有限元分析软件ANSYS，建立流固耦合求解器，具体包括如下步骤：

S11：在有限元分析软件ANSYS中，打开Workbench对话框，将Fluid Flow模块与StaticStructural模块连接，完成流固耦合求解器的软件环境设置。

3.如权利要求2所述的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，其特征在于，步骤S3，对所述物理空间模型内的空气流体进行流体分析，具体包括如下步骤：

S31：在Fluid Flow模块中对由所述物理空间模型、所述隧道模型、所述列车模型以及所述受电弓结构模型组成的整体模型进行网格化，设置整体模型网格边界条件，将列车模型网格设置为动网格，将隧道模型壁面和物理空间模型壁面设置为固定网格，并对所述动网格的速度和方向加载UDF或Profile文件；

S32：在Fluid Flow模块中设置流体分析求解器，选择湍流模型和流场材料，设置所述动网格的时间步长和迭代次数，开始进行迭代；

S33：迭代完成后，保存流体分析求解结果，并使用结果后处理软件对所述流体分析求解结果进行查看和分析，得到受电弓结构表面风压分布图。

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