Моделирование взаимодействия токоприёмник - контактная сеть для скоростных путей железнодорожного сообщения в программном продукте LS-DYNA. Модельная задача из раздела 2.2 статьи «The simulation of pantograph and catenary a PDAE approach, M. Arnold and B. Simeon» Модельная задача из стандартов «British Standard 50318:2002: Railway applications Current collection systems — Validation of simulation of the dynamic interaction between pantograph and overhead contact line»

1. Новожилов Юрий

2. 2
Моделирование взаимодействия токоприёмник -
контактная сеть для скоростных путей
железнодорожного сообщения в программном
продукте LS-DYNA
Цели

3. 3
 Модельная задача из раздела 2.2 статьи «The simulation of pantograph
and catenary a PDAE approach, M. Arnold and B. Simeon»
 Модельная задача из стандартов «British Standard 50318:2002: Railway
applications Current collection systems — Validation of simulation of the
dynamic interaction between pantograph and overhead contact line»
Рассмотренные модельные задачи

4. 4
• Несущий провод и контактный провод
моделируются балочными элементами
• Поддерживающие струны моделируются
нитями – работа только на растяжение
• Используются точечные массы, пружины и
демпферы в соответствии с описанием в статье
• Учтены силы натяжения проводов, гравитация
• Моделирование контактного взаимодействия
пантографа и контактного провода
произведено с учетом возможности отрыва,
трения покоя и скольжения
• Рассмотрены значения скоростей пантографа
32 м/с и 48 м/с
Первая модельная задача
Модельная постановка
из статьи

5. 5
 Прямое моделирование контактного
взаимодействия с учетом трения, возможности
отрыва контакта.
 В начальный момент времени сила поджимающая
пантограф равна 8.75 Н, в момент начала
движения сила скачком меняется до 70 Н. Такие
требования накладывает особенности численной
реализации алгоритма в статье.
 Дале будем обозначать такие начальные условия:
«8.75-70»
Допущения и предположения в модели LS-DYNA

6. 6
32 м/с: перемещение точечных масс
Верхняя
точечная
масса
Нижняя
точечная
масса
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Вертикальныеперемещения,см
Время, с
Верхняя точечная масса PDAE
Нижняя точечная масса PDAE
Верхняя точечная масса LS-DYNA
Нижняя точечная масса LS-DYNA

7. 7
32 м/с : перемещения средних точек
Нижняя
точка
Верхняя
точка
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Вертикальныеперемещения,см
Время, с
Нижняя точка PDAE
Верхняя точка PDAE
Нижняя точка LS-DYNA
Верхняя точка LS-DYNA

8. 8
32 м/с : усилия в струнах
Левая
струна
Правая
струна
0
20
40
60
80
100
120
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Осевоеусилие,Н
Время, с
Левая струна PDAE
Правая струна PDAE
Левая струна LS-DYNA
Правая струна LS-DYNAФильтрация результатов LS-DYNA:
• отбрасывается частоты выше 3 кГц
• осреднение по 8 точкам

9. 9
32 м/с : контактные усилия
Зона
контакта 0
20
40
60
80
100
120
140
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Контактноеусилие,Н
Время, с
Усилие PDAE Усилие LS-DYNAФильтрация результатов LS-DYNA:
• отбрасывается частоты выше 3 кГц
• осреднение по 8 точкам

10. 10
48 м/с: перемещение точечных масс
Верхняя
точечная
масса
Нижняя
точечная
масса
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
0.0 0.1 0.2 0.3
Вертикальныеперемещения,см
Время, с
Верхняя точечная масса PDAE
Нижняя точечная масса PDAE
Верхняя точетчная масса LS-DYNA
Нижняя точечная масса LS-DYNA

11. 11
48 м/с: перемещения средних точек
Нижняя
точка
Верхняя
точка
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
Вертикальныеперемещения,см
Время, с
Нижняя точка PDAE Верхняя точка PDAE
Нижняя точка LS-DYNA Верхняя точка LS-DYNA

12. 12
48 м/с: усилия в струнах
Левая
струна
Правая
струна
0
20
40
60
80
100
120
0.0 0.1 0.2 0.3
Осевоеусилие,Н
Время, с
Левая стуна PDAE
Правая струна PDAE
Левая струна
Правая струна LS-DYNAФильтрация результатов LS-DYNA:
• отбрасывается частоты выше 3 кГц
• осреднение по 8 точкам

13. 13
48 м/с: контактные усилия
Зона
контакта 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 0.1 0.2 0.3
Контактноеусилие,Н
Время, с
Усилие PDAE Усилие LS-DYNAФильтрация результатов LS-DYNA:
• отбрасывается частоты выше 3 кГц
• осреднение по 8 точкам

14. 14
 Присутствует качественное совпадение
результатов двух расчетных моделей
 В силу принятых допущений при решении
методом PDAE и в LS-DYAN нельзя говорить о
преимуществе точностей одного из методов
Выводы

15. 15
 В первой постановке в начальный момент времени
сила поджимающая пантограф равна 8.75 Н, в
момент начала движения сила скачком меняется до
70 Н. Такие требования накладывает особенности
численной реализации алгоритма в статье.
 Предлагается рассмотреть новые начальные условия,
при которых сила поджатия пантографа не меняется
скачком, а постоянно равна 70 Н. Дале будем
обозначать такие начальные условия: «70-70»
 Для проверки влияния новых начальных условий «70-
70» приведем сравнение с результатами из статьи с
начальными условиями «8.75-70»
Новые начальные условия для LS-DYNA

16. 16
32 м/с: перемещение точечных масс
Верхняя
точечная
масса
Нижняя
точечная
масса
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Вертикальныеперемещения,см
Время, с
Верхняя точечная масса PDAE
Нижняя точечная масса PDAE
Верхняя точечная масса LS-DYNA
Нижняя точечная масса LS-DYNA

17. 17
32 м/с : перемещения средних точек
Нижняя
точка
Верхняя
точка
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Вертикальныеперемещения,см
Время, с
Нижняя точка PDAE
Верхняя точка PDAE
Нижняя точка LS-DYNA
Верхняя точка LS-DYNA

18. 18
32 м/с : усилия в струнах
Левая
струна
Правая
струна
Фильтрация результатов LS-DYNA:
• отбрасывается частоты выше 3 кГц
• осреднение по 8 точкам
0
20
40
60
80
100
120
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Осевоеусилие,Н
Время, с
Левая струна PDAE
Правая струна PDAE
Левая струна LS-DYNA
Правая струна LS-DYNA

19. 19
32 м/с : контактные усилия
Зона
контакта
Фильтрация результатов LS-DYNA:
• отбрасывается частоты выше 3 кГц
• осреднение по 8 точкам
0
20
40
60
80
100
120
140
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Контактноеусилие,Н
Время, с
Усилие PDAE Усилие LS-DYNA

20. 20
48 м/с: перемещение точечных масс
Верхняя
точечная
масса
Нижняя
точечная
масса
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
0.00E+00 1.00E-01 2.00E-01 3.00E-01
Вертикальныеперемещения,см
Время, с
Верхняя точечная масса PDAE
Нижняя точечная масса PDAE
Верхняя точечная масса LS-DYNA
Нижняя точечная масса LS-DYNA

21. 21
48 м/с: перемещения средних точек
Нижняя
точка
Верхняя
точка
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
Вертикальныеперемещения,см
Время, с
Нижняя точка PDAE Верхняя точка PDAE
Нижняя точка LS-DYNA Верхняя точка LS-DYNA

22. 22
48 м/с: усилия в струнах
Левая
струна
Правая
струна
Фильтрация результатов LS-DYNA:
• отбрасывается частоты выше 3 кГц
• осреднение по 8 точкам
0
20
40
60
80
100
120
0.0 0.1 0.2 0.3
Осевоеусилие,Н
Время, с
Левая стуна PDAE
Правая струна PDAE
Левая струна LS-DYNA
Правая струна LS-DYNA

23. 23
48 м/с: контактные усилия
Зона
контакта
Фильтрация результатов LS-DYNA:
• отбрасывается частоты выше 3 кГц
• осреднение по 8 точкам
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 0.1 0.2 0.3
Контактноеусилие,Н
Время, с
Усилие PDAE Усилие LS-DYNA

24. 24
 Сохраняется качественное совпадение результатов
двух расчетных моделей
 Наблюдается существенное влияние начальных
условий на результаты расчетов – необходимо
сравнение с экспериментом
 При начальных условиях «70-70» нагрузки
перемещения и усилия в модели ниже чем при
условиях «8.75-70»
Выводы

25. 25
Вторая модельная задача
• Несущий провод и контактный провод
моделируются балочными элементами
• Поддерживающие струны моделируются
нитями – работа только на растяжение
• Используются точечные массы, пружины и
демпферы в соответствии с описанием в статье
• Учтены силы натяжения проводов, гравитация
• Моделирование контактного взаимодействия
пантографа и контактного провода
произведено с учетом возможности отрыва,
трения покоя и скольжения
• Скорость пантографа 69,44 м/с

26. 26
Параметры модели пантографа
m2
m1
b1
b2
c1
c2
c0
F
 c0 = 50 000.0 Н/м
 c1 = 4 200.0 Н/м
 c2 = 50.0 Н/м
 b1 = 10.0 Н·с/м
 b2 = 90.0 Н·с/м
 m1 = 7.2 кг
 m2 = 15.0 кг
 F = 120.0 Н

27. 27
 Несущий провод
 Fнатяжения = 16 кН
 Контактный провод
 Fнатяжения = 20 кН
 Нити
 cрастяжение = 100 000 Н/м
 m ~ 0 кг
Параметры модели подвески провода
Данные по жесткости и массовым
характеристикам кабелей взяты из первой
задачи

28. 28
Результаты: контактные усилия (V = 69,44 м/с)
0
50
100
150
200
250
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80
Контактныеусилия,Н
Время, с

29. 29
• Освоена техника моделирования контактного
взаимодействия пантографа и контактного
провода
• Освоена техника моделирования струн без
жесткости на сжатие
• Учтены силы предварительного натяжения
проводов и сила тяжести
• Возможно создание расчетных моделей больших
размеров
• Возможно моделирование поведения пантографа
при различных скоростях движения
Выводы