一种车辆服役周期内限界动态演变预测方法及系统

1.本发明属于机车限界技术领域，更具体地，涉及一种车辆服役周期内限界动态演变预测方法及系统。


背景技术：

2.传统的铁道车辆限界计算是根据《cjj96》、《uic505》等标准规定的公式以及各种随机量和非随机量进行几何计算，得到车辆轮廓点的包络线，以此方法得到车辆限界，计算结果比较保守，不能够精确确定车辆限界。随着车辆动力学的发展，利用车辆动力学计算车辆姿态，替代标准中的车辆一系位移、二系位移和车体位移等相关变量，再辅以标准规定的公式进行车辆动态包络线的计算，得到相对准确的车辆限界。
3.但铁道车辆的悬挂元件是由钢弹簧、橡胶、液压减振器等元件组成，这些悬挂元件由于产生制造等原因，其动力学参数是随机参数，符合某一类型的分布如正态分布；且车辆设计寿命一般以30年计，在整个服役周期，这些悬挂元件会产生老化，使得其力学动态特性产生变化，力学参数也随之改变，即悬挂元件动力学参数的分布参数也随着服役周期改变，在车辆服役一定时间后，悬挂元件刚度、阻尼产生变化，以最初始的力学参数所计算的车辆限界，将不再适合于服役后的车辆，若更换悬挂元件，其成本也较高。
4.为解决上述问题，专利cn 113312708 a公开了一种用于非线性悬挂系统的车辆限界计算方法、设备和介质。能够克服采用线性刚度参数计算弹簧侧滚参数时存在的误差，基于迭代算法求解悬挂系统的相对偏移量，能够获得高精度的悬挂系统的偏移量数据，进而提高了车辆限界校核的计算精度。但是它仅考虑非线性悬挂系统的偏移量，并未考虑悬挂系统老化造成相关参数改变的情况，对于车辆服役周期内限界的动态演化不能精确预测其变化量对车辆限界的影响，造成车辆超出限界，产生安全事故。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种车辆服役周期内限界动态演变预测方法及系统，建立包含悬挂元件动力学参数的非线性特性的车辆-轨道耦合动力学模型，并考虑车辆悬挂元件的随机特性与悬挂元件的退化特性对所述动力学模型进行修正，获得车辆各截面控制点的随机动态偏移量和退化动态偏移量，并与车辆非悬挂元件的静态偏移量进行耦合预测车辆服役周期内车辆限界的动态演化规律，使得车辆运行限界的设置更加安全、经济、合理。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种车辆服役周期内限界动态演变预测方法，其特征在于，包括如下步骤：s100：获取车辆的一系弹簧、一系减振器、二系空气弹簧以及二系减振器之类悬挂元件动力学参数的非线性特性，建立车辆-轨道耦合动力学模型，用于仿真模拟车辆在实际运营条件下悬挂元件的位移、速度、加速度之类的响应特性；s200：根据车辆悬挂元件的动力学参数分布特性确定其随机分布类型，选取符合
所述随机分布类型悬挂元件的动力学参数，修正所述车辆-轨道耦合动力学模型，获取车辆各截面控制点的随机动态偏移量；s300：基于车辆悬挂元件的退化过程，获取不同车辆服役时间悬挂元件退化后的动力学参数，对s200修正后的车辆-轨道耦合动力学模型进行退化过程修正，获取不同车辆服役时间各截面控制点的退化动态偏移量；s400：获取车辆静态轮廓的各截面控制点数据，基于s200和s300所述的车辆各截面控制点的随机动态偏移量和退化动态偏移量，得到符合车辆悬挂参数随机分布以及退化过程的车辆动态包络线线，最终获得车辆服役周期范围内限界动态演化规律。
7.进一步地，s100中，所述建立车辆-轨道耦合动力学模型包括：s101：基于车辆自身各悬挂元件质量、转动惯量及结构参数，考虑悬挂元件动力学参数非线性特性，设置相应的线路条件、风载荷之类的外部边界条件，建立车辆动力学模型；s102：将悬挂元件考虑为柔性，引入柔性轨道及轨下基础，建立充分考虑车辆和轨道间耦合作用的车辆-轨道耦合动力学模型；s103：通过仿真计算，得到时域下车辆的运动学姿态信息。
8.进一步地，s200中，考虑悬挂参数随机分布的车辆控制点动态偏移量计算过程，包括以下步骤：s201：根据车辆悬挂元件的动力学参数分布特性，确定不同工况下的悬挂元件的动力学参数，将悬挂元件的动力学参数输入至s100建立的车辆-轨道耦合动力学模型中，对车辆-轨道耦合动力学模型进行修正；s202：对修正后的车辆-轨道耦合动力学模型进行仿真计算，获得车辆控制点的横、垂向位移，即为对应工况下车辆截面控制点的横、垂向随机动态偏移量；s203：将s202中不同工况下的计算结果汇总获得考虑悬挂元件的动力学参数随机分布条件下的不同工况车辆控制点随机动态偏移量。
9.进一步地，s400中，悬挂元件退化动态偏移量计算包括：s401：选取关于磨耗以及非悬挂元件制造、安装定位和维护误差之类的静态因素影响作为静态偏移量计算方法；s402：将车辆非悬挂元件的静态参数带入s301的方法并计算，获得要求车体截面位置处不同控制点对应的横、垂向静态偏移量，将其叠加到不同工况下动力学计算得到的随机动态偏移量和退化动态偏移量上，得到综合考虑各种因素下的控制点的横、垂向总偏移量；s403：将各控制点的横、垂向总偏移量叠加到对应的控制点坐标上，得到不同工况下车辆的动态包络线；s404：将上述不同工况下车辆动态包络线计算结果与其代表的悬挂元件的动力学参数分布情况和服役退化情况相对应，可以分析得到车辆服役周期范围内，车辆动态包络线的退化规律。
10.进一步地，所述随机分布类型为正态分布、伯努利分布、泊松分布、拉普拉斯分布中的一种。
11.进一步地，基于正态分布的随机动态偏移量计算包括如下步骤：
s205：基于悬挂元件动力学参数的正态分布，获得不同工况下悬挂元件动力学参数，修正s100建立的车辆-轨道耦合动力学模型；s206：基于不同工况下悬挂元件动力学参数，修正后的车辆-轨道耦合动力学模型通过仿真计算得到车辆截面控制点的横、垂向位移，即为对应工况下车辆截面控制点的横、垂向随机动态偏移量；s207：将s206中不同工况下的计算结果汇总获得考虑悬挂元件的动力学参数正态分布条件下的不同工况车辆控制点基于正态分布的随机动态偏移量。
12.进一步地，悬挂元件退化过程为wiener过程，基于wiener过程的退化动态偏移量计算包括：s301：根据车辆悬挂元件的动力学参数分布特性，确定不同工况下的悬挂元件的动力学参数，基于wiener过程，调整悬挂元件的动力学参数，得到悬挂元件退化后的动力学参数；s302：将悬挂元件退化后的动力学参数输入至s200修正的车辆-轨道耦合动力学模型中，对车辆-轨道耦合动力学模型进行修正；s303：对s302修正后的车辆-轨道耦合动力学模型进行仿真计算，获得车辆控制点的横、垂向位移，即为对应工况下车辆截面控制点的横、垂向退化动态偏移量；s304：将s303中不同工况下的计算结果汇总获得考虑悬挂元件的动力学参数退化过程的不同工况车辆控制点基于wiener过程的退化动态偏移量。
13.按照本发明的第二方面，提供一种车辆服役周期内限界动态演变预测系统，其特征在于，包括：动力学模型模块，用于获取车辆的一系弹簧、一系减振器、二系空气弹簧以及二系减振器之类悬挂元件动力学参数的非线性特性，建立车辆-轨道耦合动力学模型，用于仿真模拟车辆在实际运营条件下悬挂元件的位移、速度、加速度之类的响应特性；随机动态偏移量计算模块，用于根据车辆悬挂元件的动力学参数分布特性确定其随机分布类型，选取符合所述随机分布类型悬挂元件的动力学参数，修正所述车辆-轨道耦合动力学模型，获取车辆各截面控制点的随机动态偏移量；退化动态偏移量计算模块，用于基于车辆悬挂元件的退化过程，获取不同车辆服役时间悬挂元件退化后的动力学参数，输入到s200修正后的车辆-轨道耦合动力学模型，获取不同车辆服役时间各截面控制点的退化动态偏移量；限界动态演化规律计算模块，用于获取车辆静态轮廓的各截面控制点数据，基于s200和s300所述的车辆各截面控制点的随机动态偏移量和退化动态偏移量，得到符合车辆悬挂参数随机分布以及退化过程的车辆动态包络线线，最终获得车辆服役周期范围内限界动态演化规律。
14.按照本发明的第三方面，提供一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个处理器、至少一个存储器和通信接口；其中，所述处理器、存储器和通信接口相互间进行通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行权利要求1至7任一项权利要求所述的方法。
15.按照本发明的第四方面，提供一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述
非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行权利要求1至7中任一项权利要求所述的方法。
16.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1.本发明的限界动态演变预测方法，建立包含悬挂元件动力学参数的非线性特性的车辆-轨道耦合动力学模型，并考虑车辆悬挂元件的随机特性与悬挂元件的退化特性对所述动力学模型进行修正，获得车辆各截面控制点的随机动态偏移量和退化动态偏移量，并与车辆非悬挂元件的静态偏移量进行耦合预测车辆服役周期内车辆限界的动态演化规律，使得车辆运行限界的设置更加安全、经济、合理。
17.2.本发明的限界动态演变预测方法，获取车辆的一系弹簧、一系减振器、二系空气弹簧以及二系减振器之类悬挂元件动力学参数的非线性特性，建立车辆-轨道耦合动力学模型，通过仿真模拟车辆在实际运营条件下悬挂元件的位移、速度、加速度之类的响应特性。将车辆考虑为刚性块和具有非线性特性的悬挂元件构成的车辆-轨道耦合动力学模型，对悬挂元件导致的限界变化描述更合理、更精准，提高限界设置安全性。
18.3.本发明的限界动态演变预测方法，根据车辆悬挂元件的动力学参数分布特性确定其随机分布类型，选取符合所述随机分布类型悬挂元件的动力学参数，基于仿真模拟后的悬挂元件的位移、速度、加速度之类的响应特性修正所述车辆-轨道耦合动力学模型，获取车辆各截面控制点的随机动态偏移量。考虑车辆悬挂参数随机分布特性，利用正态分布等描述分布特征，使得计算所得的车辆限界也服从随机分布特性，预测结果更加精准。
19.4.本发明的限界动态演变预测方法，基于车辆悬挂元件的退化过程，获取不同车辆服役时间悬挂元件退化后的动力学参数，对修正后的车辆-轨道耦合动力学模型进行退化过程修正，获取不同车辆服役时间各截面控制点的退化动态偏移量；在考虑车辆悬挂参数随机分布特性的基础上，采用wiener过程描述悬挂参数在车辆服役周期内的改变，得到考虑悬挂参数服役工况退化过程下的车辆控制点动态偏移量。可以通过计算预测车辆服役周期内车辆悬挂元件退化导致限界的变化，使车辆限界更精准，更安全。
附图说明
20.图1为本发明实施例中车辆轨道耦合动力学模型结构示意图；图2为本发明实施例中减震器力学特性示意图；图3为本发明实施例中悬挂元件节点刚度分布示意图；图4为本发明实施例中各控制点横向动态偏移量；图5为本发明实施例中车辆悬挂元件参数性能退化示意图；图6为本发明实施例中车辆动态包络线示意图；图7为本发明实施例中车辆服役周期内限界动态演变预测方法；图8为本发明实施例中车辆-轨道耦合动力学模型原理图；图9为本发明实施例中考虑悬挂参数随机分布的车辆控制点随机动态偏移量计算过程图；图10为本发明实施例中考虑悬挂元件老化的悬挂参数的车辆控制点退化动态偏移量预测计算原理图。
具体实施方式
21.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
22.如图7所示，本发明实施例提供了一种预测车辆限界服役周期动态演变的计算方法，包括以下步骤：步骤一：构建一种车辆-轨道耦合动力学模型：建立车辆轨道耦合动力学模型，考虑一系弹簧、一系减振器、二系空气弹簧、二系减振器等悬挂元件动力学参数的非线性特性，例如减震器的力学特性如图2所示，用以模拟计算车辆在实际运营条件下车辆部件位移、速度、加速度等响应；具体而言，如图1和图8所示，步骤一所述的车辆-轨道耦合动力学模型的构建，包括如下步骤：s101：基于车辆自身的各关键部件质量、转动惯量及结构参数，考虑悬挂元件动力学参数非线性特性，设置相应的线路条件、风载荷等外部边界条件，建立车辆动力学模型。
23.s102：在s101的基础上，将关键部件考虑为柔性，引入柔性轨道及轨下基础，建立充分考虑车辆和轨道间耦合作用的车辆-轨道耦合动力学模型。
24.s103：通过仿真计算，可以得到时域下车辆的运动学姿态信息。该过程可通过商业软件或自行编程建立求解动力学方程完成。
25.步骤二：悬挂参数随机下车辆偏移量计算：由于悬挂元件生产制造误差等随机因素，悬挂参数呈现为某种分布类型，包括正态分布、伯努利分布、泊松分布、拉普拉斯分布等，本发明以正态分布为例，如图3所示，分布参数为均值μ和标准差σ，悬挂参数分布类型包括但不限于正态分布，其他分布类型皆包括在本发明保护范围。选取符合正态分布的动力学参数，修正s1所述的车辆轨道耦合动力学模型，结合车辆运营线路条件和运营工况，计算悬挂参数随机分布对车辆运动的影响，得到车辆的各截面控制点的动态偏移量，如图4所示。
26.具体而言，如图9所示，步骤二中考虑悬挂参数随机分布的车辆控制点动态偏移量计算过程，包括以下步骤：s201：根据车辆悬挂元件的动力学参数分布特性，确定不同工况下的悬挂元件的动力学参数，将悬挂元件的动力学参数输入至步骤一建立的车辆-轨道耦合动力学模型中，对车辆-轨道耦合动力学模型进行修正；s202：对修正后的车辆-轨道耦合动力学模型进行仿真计算，获得车辆控制点的横、垂向位移，即为对应工况下车辆截面控制点的横、垂向随机动态偏移量；s203：将s202中不同工况下的计算结果汇总获得考虑悬挂参数随机分布条件下的不同工况车辆控制点随机动态偏移量。
27.步骤三：悬挂元件性能退化下车辆偏移量计算：由于随着车辆服役时间增加，悬挂元件如减振器、橡胶元件、空气弹簧等将产生老化，导致其动力学参数发生改变，如图5所示。悬挂参数的改变可描述为退化过程，该过程可用wiener过程进行描述，描述方式包括wiener过程但不限于此；根据wiener过程，结合车辆运营线路条件和运营工况，计算悬挂元
件性能退化对车辆运动的影响，得到车辆各截面控制点的动态偏移量。
28.具体而言，如图10所示，基于wiener过程的退化动态偏移量计算包括：s301：根据车辆悬挂元件的动力学参数分布特性，确定不同工况下的悬挂元件的动力学参数，基于wiener过程，调整悬挂元件的动力学参数，得到悬挂元件退化后的动力学参数；s302：将悬挂元件退化后的动力学参数输入至步骤二修正的车辆-轨道耦合动力学模型中，对车辆-轨道耦合动力学模型进行修正；s303：对s302修正后的车辆-轨道耦合动力学模型进行仿真计算，获得车辆控制点的横、垂向位移，即为对应工况下车辆截面控制点的横、垂向退化动态偏移量；s304：将s303中不同工况下的计算结果汇总获得考虑悬挂元件的动力学参数退化过程的不同工况车辆控制点基于wiener过程的退化动态偏移量。
29.所述wiener过程包括：若一个随机过程{x(t),t》=0}满足：1、 x(t)是独立增量过程；2、 任意s,t》0,x(s t)-x(s)~n(0,σ
2t
），即x(s t)-x(s）是期望为0，方差为σ
2t
的正态分布；3、 x(t)关于t是连续函数。
30.则称{x(t),t》=0}是wiener 过程。
31.给定二阶矩过程{w(t),t》=0},如果满足：1、具有独立增量2、对任意的t》s》=0，增量w(t)-w(s)~n(0,σ
2(t-s）
），且s》03、w(0)=0则称此过程为wiener 过程。
32.步骤四：车辆动态包络线的退化情况计算：结合各类型的限界计算标准计算车辆动态包络线，该标准包括《cjj96》、《uic505-1》，但不限于这些标准，其他限界标准皆包含于此，基于车辆静态轮廓，结合s2、s3计算得到的动态偏移量，根据标准的限界计算原理，得到符合悬挂参数正态分布以及考虑悬挂参数退化过程的车辆动态包络线，最终形成车辆服役周期范围内，车辆动态包络线的退化情况。
33.步骤四所述的车辆动态包络线的退化情况计算，包括以下步骤：s401：在现有限界校核计算标准的基础上，参考标准中的偏移量计算公式，选取其中关于磨耗以及非悬挂元件制造、安装定位和维护误差等静态因素影响的计算部分，作为静态偏移量计算公式。
34.s402：将非悬挂元件计算参数代入并计算，可以得到要求车体截面位置处不同控制点对应的横、垂向静态偏移量。将其叠加到不同工况下动力学计算得到的动态偏移量上，可以得到综合考虑各种因素下的控制点的横、垂向偏移量。
35.s403：将各个控制点偏移量叠加到对应的控制点坐标上，即可得到不同工况下车辆的动态包络线，如图6所示。
36.s404：将上述不同工况下车辆动态包络线计算结果与其代表的悬挂参数分布情况
和服役退化情况相对应，可以分析得到车辆服役周期范围内，车辆动态包络线的退化规律。
37.本发明的限界动态演变预测方法，建立包含悬挂元件动力学参数的非线性特性的车辆-轨道耦合动力学模型，并考虑车辆悬挂元件的随机特性与悬挂元件的退化特性对所述动力学模型进行修正，获得车辆各截面控制点的随机动态偏移量和退化动态偏移量，并与车辆非悬挂元件的静态偏移量进行耦合预测车辆服役周期内车辆限界的动态演化规律，使得车辆运行限界的设置更加安全、经济、合理。
38.按照本发明的另一个实施例，本发明提供一种车辆服役周期内限界动态演变预测系统，包括：动力学模型模块，用于获取车辆的一系弹簧、一系减振器、二系空气弹簧以及二系减振器之类悬挂元件动力学参数的非线性特性，建立车辆-轨道耦合动力学模型，用于仿真模拟车辆在实际运营条件下悬挂元件的位移、速度、加速度之类的响应特性；随机动态偏移量计算模块，用于根据车辆悬挂元件的动力学参数分布特性确定其随机分布类型，选取符合所述随机分布类型悬挂元件的动力学参数，基于s100仿真模拟后的悬挂元件的位移、速度、加速度之类的响应特性修正所述车辆-轨道耦合动力学模型，获取车辆各截面控制点的随机动态偏移量；退化动态偏移量计算模块，用于基于车辆悬挂元件的退化过程，获取不同车辆服役时间悬挂元件退化后的动力学参数，输入到s200修正后的车辆-轨道耦合动力学模型，获取不同车辆服役时间各截面控制点的退化动态偏移量；限界动态演化规律计算模块，用于获取车辆静态轮廓的各截面控制点数据，基于s200和s300所述的车辆各截面控制点的随机动态偏移量和退化动态偏移量，得到符合车辆悬挂参数随机分布以及退化过程的车辆动态包络线线，最终获得车辆服役周期范围内限界动态演化规律。
39.按照本发明的另一个实施例，本发明提供一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器和通信接口；其中，所述处理器、存储器和通信接口相互间进行通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行车辆服役周期内限界动态演变预测方法。
40.按照本发明的另一个实施例，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行车辆服役周期内限界动态演变预测方法。
41.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。