本發(fā)明涉及信息技術(shù)服務(wù)，具體為一種用于高速受電弓流固耦合的數(shù)值計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
1、受電弓是位于列車車頂?shù)闹匾M成部分之一，負(fù)責(zé)獲取電能以確保列車的安全運(yùn)行。在低速行駛時(shí)，受電弓在垂直方向上的位移較小，其非線性因素和動(dòng)力學(xué)影響通?？梢员缓雎浴Ｈ欢?，隨著列車運(yùn)行速度的提升，受電弓附近的流場(chǎng)變得愈加惡劣，受電弓所受到的氣動(dòng)激勵(lì)愈發(fā)激烈，進(jìn)而引發(fā)受電弓的流致振動(dòng)，受電弓的振動(dòng)反過來又加劇氣流的振動(dòng)，從而導(dǎo)致受電弓的工作環(huán)境惡化。
2、接觸網(wǎng)與受電弓形成的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)無法有效抑制受電弓的流致振動(dòng)，導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸力劇烈變化。接觸力過大或過小都會(huì)對(duì)受電弓的受流質(zhì)量產(chǎn)生影響：過大的弓網(wǎng)接觸力會(huì)增加受電弓與接觸網(wǎng)之間的摩擦，加劇磨損；而過小的弓網(wǎng)接觸力會(huì)增加接觸電阻，影響受流，可能導(dǎo)致受電弓碳滑板與接觸網(wǎng)脫離，產(chǎn)生拉弧，對(duì)接觸網(wǎng)和受電弓造成不可逆的損傷，嚴(yán)重影響受流。
3、因此，研究高速列車受電弓的流致振動(dòng)對(duì)實(shí)際意義重大，涉及到渦激振動(dòng)、湍流激振等現(xiàn)象。高速受電弓流致振動(dòng)現(xiàn)象涉及到流體和固體之間的相互作用，需要進(jìn)行流固耦合的研究。流固耦合的研究方法包括實(shí)車試驗(yàn)與數(shù)值仿真。目前對(duì)受電弓流致振動(dòng)的研究主要依托于實(shí)車試驗(yàn)，周期長(zhǎng)，耗費(fèi)大，外界變量復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確研究。單向耦合在受電弓低速運(yùn)行階段具有一定的可靠性，但隨著列車提速，受電弓振動(dòng)加劇，難以保證其真實(shí)性?，F(xiàn)階段采用雙向耦合對(duì)高速受電弓空氣動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)之間的耦合效應(yīng)的研究較少，且現(xiàn)有的雙向耦合方法均依賴于多平臺(tái)之間的聯(lián)合仿真，計(jì)算效率低、仿真周期長(zhǎng)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為解決至少一個(gè)上述問題，本發(fā)明提出了一種用于高速受電弓流固耦合的數(shù)值計(jì)算方法。
2、本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種高速受電弓流固耦合的模擬方法，包括以下步驟：
3、s1、在fluent中建立受電弓工作模型，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到受電弓重疊網(wǎng)格流體區(qū)域，所述受電弓包括下拉桿、下臂桿、上框架、弓頭和碳滑板；
4、s2、獲取接觸網(wǎng)剛度與位置的關(guān)系，再根據(jù)罰函數(shù)法得到弓網(wǎng)接觸力：
5、式中，fc為弓網(wǎng)接觸力；yh和yc分別為碳滑板高度和接觸網(wǎng)高度；k(t)為接觸網(wǎng)剛度與時(shí)間的關(guān)系函數(shù)；k0表示平均剛度系數(shù)；k1，k2，k3，k4，k5表示剛度變化系數(shù)；l為接觸網(wǎng)的跨距；l1表示相鄰吊弦之間的距離；v表示車速；t表示時(shí)間。
6、s3、基于機(jī)械振動(dòng)理論構(gòu)建受電弓歸算質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)的微分方程，并采用newmark-beta方法對(duì)微分方程進(jìn)行求解，計(jì)算受電弓各部件的位移、速度和加速度：
7、s4、基于運(yùn)動(dòng)約束方程對(duì)t+△t時(shí)刻受電弓姿態(tài)進(jìn)行求解：
8、弓頭與下臂桿底座的約束關(guān)系為：式中，
9、下臂桿與下拉桿的約束關(guān)系為：式中，分別表示上框架長(zhǎng)度、點(diǎn)d和點(diǎn)f的長(zhǎng)度、下臂桿長(zhǎng)度、下拉桿長(zhǎng)度，其中，點(diǎn)d為下拉桿上的一個(gè)鉸接點(diǎn)，點(diǎn)f為下拉桿和上框架之間的鉸接點(diǎn)；cd為點(diǎn)d與點(diǎn)c之間的距離，其中，點(diǎn)c為下拉桿和上框架的鉸接點(diǎn)；α、β、γ、δ分別為下拉桿、上框架、下臂桿與水平方向的夾角，為點(diǎn)c和點(diǎn)f之間的長(zhǎng)度；x、y分別為點(diǎn)a和鉸接點(diǎn)b在水平和豎直方向上的距離，點(diǎn)a為下臂桿與底座的鉸接點(diǎn)，點(diǎn)b為下拉桿與底座的鉸接點(diǎn)；xa、ya為分別點(diǎn)a的橫、縱坐標(biāo)，xe、ye為分別點(diǎn)e的橫、縱坐標(biāo)，e為上框架和弓頭的鉸接點(diǎn)；
10、s5、基于s2～s4的結(jié)果為重疊網(wǎng)格流體區(qū)域賦予速度，對(duì)模型中t+△t時(shí)刻受電弓的位移、速度、弓網(wǎng)接觸力進(jìn)行更新；
11、s6、基于fluent作為受電弓的cfd計(jì)算模型；
12、s7、重復(fù)s2～s6，直至達(dá)到預(yù)設(shè)的時(shí)間步。
13、有益效果：1.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在單一仿真軟件內(nèi)的受電弓空氣動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的耦合，極大提高了流固耦合仿真效率。
14、2.本發(fā)明受電弓空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算中所使用的重疊網(wǎng)格可以適應(yīng)復(fù)雜的流動(dòng)變化且提供較高的網(wǎng)格分辨率。
15、3.本發(fā)明受電弓結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算采用了受電弓歸算質(zhì)量塊等效模型，能大幅減少耦合計(jì)算的時(shí)間，并且具有較高的計(jì)算精度。并考慮了碳滑板的振動(dòng)，更符合實(shí)際情況，能精確捕捉碳滑板與接觸網(wǎng)的接觸情況。
16、4.本發(fā)明所提供的高速受電弓流固耦合方法能通過修改udf中設(shè)定的受電弓參數(shù)值以適用于不同規(guī)格的受電弓。
1.一種高速受電弓流固耦合的模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，s1中，重疊網(wǎng)格流體區(qū)域是指受電弓模型網(wǎng)格。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，s2中，通過有限元方法計(jì)算接觸網(wǎng)剛度，并將計(jì)算結(jié)果通過最小二乘法進(jìn)行擬合，從而得到接觸網(wǎng)剛度與時(shí)間的關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，s3中，包括以下分步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，s6中，在湍流模型中采用sst?k-ω作為cfd計(jì)算模塊，選用壓力基對(duì)流場(chǎng)求解，速度和壓力耦合求解采用simplec算法，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，耗散項(xiàng)采用quick格式處理，時(shí)間項(xiàng)采用二階精度中心差分格式處理。