【CAE案例】高鐵列車弓網系統動力學仿真
01 案例介紹
弓網系統也稱受電弓/接觸網系統，它由受電弓、接觸網以及兩者之間的接觸力學和運動關系構成，是高鐵列車上的供電受流系統。受電弓與接觸網之間的接觸行為和受力情況是進一步研究評價弓網可靠性的基礎。
當弓網之間的接觸力過大時，弓網之間會有較大的摩擦力，導致線纜迅速磨損；而當兩者之間接觸力過小時，受電弓和接觸網可能會出現分離現象，接觸線上的高壓電會擊穿空氣，在受電弓和接觸網之間出現電弧，損傷其他電氣元件，進一步造成不必要的損失。
弓網動力學仿真的難點在于接觸網上使用的架空線纜拉伸模量遠大于壓縮模量。并且在預緊力和重力作用下，線纜會出現大變形現象。
這樣的力學行為明顯是非線性的，需要專門的模型進行描述。并且接觸網和受電弓之間存在接觸情況，需要合適的接觸設置以及非線性動力學求解器進行求解。
本案例將使用通用結構仿真軟件中集成CABLE線纜模型、接觸算法以及非線性動力學求解器，進行弓網系統的動力學仿真。
02 幾何模型與網格劃分
接觸網總長度為550m，受電弓可以使用彈簧-阻尼-質量模型進行簡化模擬，因此只需要使用簡單的點線建模即可。建模完成后的模型示意圖如下所示：
接觸網和受電弓整體都使用線性單元進行網格劃分。
03 模型設置
圖3中展示了接觸網上各組件的名稱，其中承力索和接觸線部分使用CABLE單元進行模擬，承力索和吊弦部分使用彈簧-質量模型進行模擬。受電弓使用彈簧-阻尼-質量單元進行模擬。
04 邊界條件設置
承力索和接觸線受到水平方向上的預張力后，承力索上的懸掛點設置為固定點，接觸線上定位器處給定豎直方向的剛度，固定水平方向的自由度。接觸網受重力后整體下垂，得到接觸網正常運行時的初始狀態，其狀態和位移情況如下圖所示：
列車運行狀態下，受電弓以恒定275km/h的時速行駛。與接觸線發生接觸，受電弓頂部節點設置為從接觸單元組，接觸線整體設置為主接觸單元組。
05 求解和結果分析
針對受電弓和接觸線之間的接觸和受電弓本身的運動情況，我們使用通用結構仿真軟件的非線性動力學求解器進行求解。計算受電弓完全通過這段接觸網的過程中兩者之間的接觸和運動情況。我們輸出了受電弓頂部節點上的所受接觸力情況，繪制了接觸力隨時間變化的時程曲線。
可以看出當受電弓經過接觸線上定位器和承力索上懸掛點所在位置時，接觸力會出現一定程度的波動情況。并且當受電弓經過每根吊弦的過程中，接觸力也會出現微小變化的情況。并且在列車啟停過程中，接觸力也會出現波動比較大的情況。
06 總結
本案例使用通用結構仿真軟件中的CABLE單元和彈簧-阻尼-質量單元對高鐵列車的弓網系統進行了動力學仿真。得到了受電弓所受接觸力隨時間變化的時程曲線。證明了通用結構仿真軟件在非線性力學行為和非線性動力學求解方面的強大能力。
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