一、Simpack軟件及Rail模塊簡介

Simpack是專家級機電系統運動學/動力學仿真分析軟件，是世界上第一款采用完全遞歸算法、利用相對坐標系建立模型的多體動力學軟件。

Simpack軟件可以用來仿真模擬現實世界中任何的機械/機電系統，從僅僅只有幾個自由度的簡單系統到復雜系統，如汽車、火車、飛機、風機等，都能利用Simpack軟件進行模擬仿真。可以應用到產品概念設計、詳細設計、試驗研究、故障診斷以及產品維護的全生命周期內。

Simpack Rail軌道車輛解決方案是針對軌道-車輛動力學仿真開發的專用軟件。在全球范圍擁有廣泛的用戶群，主要的機車制造商、工程設計商、供應商、運營商、高校和科研院所都在使用Simpack Rail。通過Simpack強大的建模功能和快速的計算速度能高效地預測和分析軌道車輛間的動力學性能，從而大大降低開發成本，縮短開發周期，提高產品設計質量。Simpack Rail與行業合作伙伴之間的項目合作和大量的驗證試驗，保證了仿真的可靠性，同時也提供了在軌道交通行業應用中的豐富經驗。

二、Simpack Rail功能和優勢

（1）車輛建模

Simpack Rail提供簡潔、易于使用的用戶界面用于創建任何類型的機車模型。從自動生成輪對或單獨車輪開始，用戶可以一步步地建立一個完整的車輛模型。豐富的建模單元（例如軸箱、彈簧、曲線數據甚至完整的轉向架）都很方便地從數據庫或用戶指定的模型中獲取。Simpack Rail模型能實現完全參數化。而且，由于Simpack所有的模塊都是兼容的，Rail用戶也能借鑒其它行業應用的相關經驗。

（2）線路建模

Simpack具有通用的工具用于建立任意的軌道線路。線路模型不僅包括軌道，而且還包括線路的不平順、線路的彈性及軌道子結構。一條完整的線路可以利用標準庫中的單元（曲線的駛入、駛出、道岔等）和少量的參數（如長度、半徑和超高）來定義。

（3）輪軌接觸

Simpack提供一系列高效的輪軌接觸模型。默認方式下，Simpack提供“約束接觸”，使用單點或多點接觸，可以考慮輪軌之間的高頻接觸振動，并能大大地提高計算速度。如果模擬車輪抬起工況，接觸模型會被轉換為“彈性接觸”。所有接觸模型都能用于沿長度變化的軌道，其中包含必要的道岔和護軌。

除了世界公認的專業算法，Simpack還提供一些其它算法用于計算接觸力。接觸摩擦力隨著接觸點的位置（縱向和橫向）和蠕變速度而變化。

車輪和軌道輪廓可以直接從Simpack標準庫或測量數據中獲取。

三、Simpack Rail在鐵路行業中的應用

Simpack Rail可以處理所有的軌道與車輛之間耦合的動力學仿真問題，使用戶無論在時域還是在頻域中都能夠快速方便地分析所建的模型。

（1）轉向架設計和仿真

SimpackRail可建立詳細的轉向架模型，包含一系、二系懸掛、減振阻尼器等。能通過靜平衡分析、預載荷分析對轉向架模型進行“稱重”分析，使模型達到平衡狀態；能對轉向架進行不同工況的仿真，研究轉向架的性能，包括側向力、臨界速度等，獲得各部件的運動和受力曲線。

（2）軌道線路設計

使用Simpack能建立任意形狀的軌道曲線，包含線路平縱斷面的關鍵參數，如平面圓曲線半徑、圓曲線長度、豎曲線半徑、坡段長度等參數。使用Simpack動力仿真分析方法可以對鐵路線路參數進行了研究和分析，得到線路圓曲線最小長度、反向曲線夾直線最小長度、豎曲線最小半徑等關鍵參數的合理取值，能有效減少工程建設投入。

對線路線形方案進行動力學分析及評估，能優化線路曲線，提高列車行駛舒適度。為鐵路線路參數標準的確定提供參考。

（3）軌道安全性分析

Simpack中建立車輛的多體動力學模型，在不同的軌道和不平順的激勵下，計算車輛以不同的速度通過曲線軌道時的脫軌系數和輪重減載率，分析其脫軌安全性。

（4）乘坐舒適性

列車的乘坐舒適性問題越來越受到重視，特別是對高速列車，如果振動過大，會產生非常不好的乘坐體驗。因此在列車研發過程中就可以使用Simpack Rail進行乘坐舒適性問題研究

在軌道中施加軌道譜，通過建立柔性車體，可以在車輛任意位置測量加速度，在后處理中通過過濾器對數據進行處理，進行EN12299舒適度分析，檢查仿真結果是否能滿足設計要求。

（5）輪軌磨耗分析

列車經過長距離的行駛后，車輪和軌道都會產生一定的磨損，如果磨損量過大就會對行車舒適性甚至安全性產生影響，因此評估輪軌的磨耗量對研究列車行駛性能有重要影響。

Simpack Rail可預測鐵路車輪和鋼軌的磨損（材料去除）。它獲取接觸面位置和尺寸、接觸力和蠕動信息，并使用這些仿真結果預測在仿真運行期間從車輪或軌道上移除的材料量。對比經過磨耗和滾動接觸疲勞后的幾何輪廓與原始設計的區別。

（6）車橋耦合

隨著列車運行速度的不斷提高，列車與橋梁之間的動力相互作用越來越受到重視，高速列車對橋梁結構的動力作用很大，對高速鐵路橋梁進行車-橋耦合振動分析非常必要。將大型大跨度柔性橋梁應用于高速鐵路后，由于高速鐵路高平順性、高舒適性、高穩定性和高安全性的要求，其車－橋系統的動力性能變得至關重要。

采用Simpack和通用有限元軟件（如Abaqus）相結合的方法對橋梁進行車-橋耦合動力學和振動分析，能評價該橋在列車設計時速下車-橋系統的安全性和舒適性，研究結果可為同類橋梁的建設和管理提供技術資料。

（7）極端工況

Simpack可以對所建立的軌道車輛模型施加多種分析工況，分析車輛和軌道在不同場景下性能，常用的兩個事關安全性能的場景有地震和側風工況。

A．地震工況

我國地處環太平洋地震帶和地中海-喜馬拉雅地震帶交匯處，是世界上地震災害最嚴重的國家之一。我國地震具有活動頻度高且具有強度大、震源淺、分布廣的特點。地震時軌道（包含高架橋軌道）的振動對行車安全有顯著的影響。高速鐵路行車密度大，運行速度高，高速列車一旦脫軌將造成嚴重的損失。

基于Simpack軟件建立軌道車輛耦合動力學仿真模型，通過輸入地震波激勵計算高速列車-軌道（橋梁）系統在軌道不平順激勵和橫向地震動作用下的響應并能評估高速列車運行的安全性。研究在橫向地震荷載作用時，列車運行安全脫軌系數、輪重減載率、橫向輪軌力等安全指標與地震的強度和行車速度之間的關系，以及為保證列車運行安全，對不同設防烈度不同場地下行駛的列車進行限速的速度數值。

B．側風工況

側風擾動對于高速動車運行是一個十分重要的安全影響因素。在強勁的側向風作用下，列車所受到的側向氣動力和力矩有可能使列車橫擺超限、脫軌，甚至出現翻車和人員傷亡事故。因此，研究軌道在不同速度下抵御側風能力，對于列車的安全運行有著十分重要的指導意義。

利用Simpack軟件建立高速動車模型，在直線和曲線兩種工況下，著重分析走行部的動態行為安全性，如傾覆系數。側風擾動作用的主要載荷特征，可以根據EN14067確定。通過Simpack仿真分析，能研究不同軌道曲線、不同行駛速度、不同橫風速度情況下，分析列車受到的氣動力和氣動力矩對車體抗傾覆能力的影響，獲得不同軌道曲線下抵御側風速度的極限值。

四、Simpack Rail用戶

Simpack Rail是軌道-車輛行業標準的動力學仿真分析工具，在國內外在擁有眾多的用戶。

主要的鐵路設計院、機車生產商以及鐵路相關的科研院所都在使用Simpack Rail進行軌道線路設計、車橋耦合、機車設計、新技術開發等工作，并取得顯著的成果。特別是在中國，Simpack Rail積累了豐富的仿真經驗和技術知識，助推了中國鐵路行業技術的發展。

責任編輯：xj

原文標題：干貨分享 | 軌道交通仿真之Simpack Rail

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