软件X：动态列车-轨道-桥梁系统的模拟

软件X 20（2022）101253原始软件出版物TTB-2D：丹尼尔·坎德尔挪威科技大学结构工程系ar t i cl e i nf o文章历史记录：2022年8月3日收到收到修订版，2022年10月13日接受，2022年保留字：铁路桥车桥相互作用动力学数值模拟a b st ra ctTTB-2D软件以二维形式模拟列车-轨道-桥梁系统的动态响应。列车被表示为多个车辆的连续。轨道包括钢轨不规则部分，并对钢轨、垫板、轨枕、道碴和次道碴进行建模。桥梁在有限元公式中被建模为具有可定制支撑条件的梁，这有效地实现了广泛的结构配置的表示。该验证的数值模型考虑了车辆与基础设施的相互作用。本文档提供了建模的理论背景和使用指南，并提供了一个示例。©2022作者（S）。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v1用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-22-00221可复制胶囊的永久链接https://codeocean.com/capsule/0882463/tree/v1GNU通用公共许可证（GPL）v3.0使用的代码版本控制系统无软件代码语言，工具和服务使用Matlab汇编要求、操作环境和依赖关系如果可用，请链接到开发人员文档/手册TTB-2D-Usergide。pdf问题支持电子邮件daniel. ntnu.no1. 动机和意义列车过桥的数值模拟是一个相当复杂的问题。 为了获得动态响应，必须精确表示移动车辆（机车和货车）、铁路轨道（不规则、轨枕、道碴和底道碴）以及桥梁结构本身。这些需要使用正确的数值模型、耦合程序和适当的数值来表示，正如最近的最新技术评论[1]和书[2]。列车-轨道-桥梁（TTB）相互作用模型经常用于评估，例如，乘坐舒适性，运行安全性或结构性能。最重要的是，这些模型用于深入了解问题并探索新的问题，例如列车速度增加的影响或探索结构评估的新策略TTB模型已经由许多研究小组[1]开发然而，在这方面，电子邮件地址：daniel. ntnu.no。https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101253这些模型通常不能作为开放源代码免费获得。本文中提出的模拟包TTB-2D的目标是，是提供一个火车运行的开源模型在Matlab环境下计算了系统的动力响应[3]。TTB-2D是针对结果的准确性和实施的简单性而开发的。如[4]所述，通过与商业软件中独立开发的模型进行直接比较，对所提供的模拟包进行了验证。此外，在用户手册的支持下，重点强调了变量符号、脚本命名和整体架构的清晰度。因此，TTB-2D是一个功能强大的仿真工具，它是容易获得和理解。它可以成为许多新研究的基础，因为用户可以专注于模拟响应的研究，而不是从头开始开发和验证这样的模型。此外，它提供了一个很好的起点，为进一步的未来发展的研究界，希望扩展到更复杂的配置模型。事实上，TTB-2D已经被用于进行多项研究。在[5]中，它用于评估一系列结构的桥梁荷载效应的动态放大系数2352-7110/©2022作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx丹尼尔·坎德尔软件X 20（2022）1012532Fig. 1. TTB-2D模型组件概述。配置.在文献[6]中，作者研究了列车通过时桥梁模态特性的变化。 此外，[7]还探讨了根据车辆响应推断的表观轮廓进行桥梁损伤检测的可能性。TTB-2D也被用于仅考虑的想法的数值验证表1培训模式和价值观来源列车类型/配置参考• 曼彻斯特基准[16]• [17]第十七话车辆和轨道，通过考虑一个长的接近距离（轨道），并忽略从桥梁的结果比如说，• 中国之星动力车• 双层客车[18个国家]在[8，9]中，提出了利用车辆响应分别确定纵向轨道不平顺和轨道刚度分布的方法。最近，在[10]中，提出的模拟框架被用于探索使用安装在旅客列车上的传感器检测悬挂轨枕的可能性。此外，还开发了TTB-2D的适应性，以模拟特定的桥梁配置，即位于柔性支撑上的多跨桥梁[11]和桥台处墙填充有土壤的门式框架桥梁[12]。2. 建模背景为了建立一个精确的TTB模型，有必要为每个单独的部件（即列车、轨道和桥梁）、轨道不平顺和耦合系统的求解过程 本节简要回顾了这些方面，并介绍了TTB-2D中采用的建模的理论背景（图1）。①的人。此外，它还提供了有关其他信息和适当模型属性的相关参考首先，该问题已使用2D表示法建模。众所周知，3D模型是现实的更精确表示。然而，这将大大增加模型的复杂性，其计算要求以及要定义的数值变量的数量。此外，在[13]中，通过直接比较2D TTB模型与3D替代模型，已经表明2D模型可以足够准确地预测系统的垂直动态行为。考虑到这一点，所采用的2D表示被认为是模型复杂性和解决方案精度之间的适当权衡此外，TTB-2D等模型已在相关文献中报告和使用[1，2]。火车被表示成一系列单独的车辆。每辆车都按照欧洲铁路研究所推荐的车桥相互作用力学模型进行建模主体靠在2个转向架上，二次悬挂，而每个转向架具有由一次悬挂支撑/连接的2个轴。车辆运动方程简化为具有6个自由度（DOF）的系统[7]，也可以使用VEqMon2D工具箱[15]导出。TTB-2D提供了从各种来源获得的预实施列车类型和车辆配置，如表1所示。因此，通过这些示例，• 欧洲之星[19]• 先锋M和R车辆[20]·新干线S300 [21]将列车建模为一系列独立的6-DOF车辆。其他列车配置（例如，包括铰接式货车）必须由用户实施。轨道的不规则性构成了重要的激励源，并对车辆和基础设施的总体动态响应做出贡献这些不规则性可以基于来自预定义功率谱密度（PSD）的随机样本来定义此类PSD的示例可从相关铁路当局找到TTB-2D包括来自美国联邦铁路管理局[22]、德国高速铁路[23]和法国SNCF [24]的定义。该轨道包括元素的组合（图。1）包括：钢轨、垫板、轨枕、道碴和次道碴。当铁路的Euler-Bernoulli梁建模，其余组件表示为一系列的集中质量和粘弹性层。这条赛道的代表已经被其他人使用[1]，并被认为是合适的[24]。轨道模型的数值见[25]，已纳入TTB-2D。桥梁建模为欧拉-伯努利梁表示的有限元模型（FEM）离散化。梁靠在弹性支座上.用户可以指定支撑的数量、位置、垂直刚度和旋转刚度。这种灵活性使得可以对各种桥配置进行建模（例如，多跨连续桥梁）。梁模型的模型参数的数值必须根据所研究桥梁的特性来定义。作为一个例子，TTB-2D包括一个50米长的铁路桥的属性，在[26]中报告。尽管如此，一般来说，铁路桥梁的一些代表性值可以从[19]中获得所有的模型元素被组合成一个单一的系统。列车（车辆）和基础设施（轨道和桥梁）的运动方程耦合在一起，并由质量、刚度、阻尼和力矩阵描述[4]。这些矩阵通过耦合过程[27]随车辆位置而变化，通过车轮和轨道之间的直接接触将列车和基础设施连接在一起，不允许它们之间有任何分离时变方程丹尼尔·坎德尔软件X 20（2022）1012533图二、TT B -2D工作流程概述和相应的 脚本名称。采用Newmark-β格式直接数值积分，求解列车在基础设施上的动力响应。因此，TTB-2D提供了一个可访问的实现列车轨道桥梁相互作用的问题，这是基于已公布的配方和方法。该软件模拟了系统的动态耦合，包括相互作用产生的惯性力和向心为了完整性，读者可参考[4]，了解TTB-2D建模和理论背景的详细解释。此外，[28]提供了耦合程序、不规则性定义和车辆模型的全面描述。关于模型参数，作者在[29]中研究了TTB模型中的关键参数，并在[30]中确定了它们的相对重要性。3. 软件描述3.1. 软件构架TTB-2D计算耦合列车-基础设施系统的动态响应（图1）。①的人。列车被定义为一系列以恒定速度行驶的多辆车辆。基础设施包括轨道和桥梁。桥梁前后的轨道长度 用户可以轻松地修改模型几何形状和参数，指定计算选项，并在成功完成仿真后请求图形输出的类型。要执行模拟，必须执行脚本A00_Run。在这里，工作流程（图2）已经以直接的方式实现，以执行用户定义，模拟分析和图形结果处理。当脚本运行时，用户将在命令窗口中了解计算进度和其他最终警告消息。TTB-2D使用Matlab中的结构类型变量，以有序和直观的方式处理和存储与仿真相关的所有变量和结果。为了提高软件的可读性和易用性，给出了结构变量的命名方法。例如，桥梁的跨度长度保存在梁.支柱.L中。要 模 拟 用 户 定 义 的 模 型 ， 用 户 需 要 手 动 编 辑 定 义 脚 本A0x_yyy。在A01_Train中，可以设置列车的速度和车队中的车辆数量。用户在此指定每辆车的几何形状和机械特性。类似地，使用A02_Track和A03_Bridge分别定义轨道和桥梁的属性和数值。这些模型组件定义脚本具有预先实现的值，这些值取自相关参考文献（参见第2节），以方便用户最后，在A04_Options中，可以指定一系列选项，包括不规则性定义、FEM离散化、时间步进要求和图形输出选择等选项。用户可参考手册（包括在在线资料库中），以获得关于定义和选项的详细解释。执行用户定义模型模拟的核心计算发生在脚本B00_Calculation中。该脚本包含多个函数，这些函数执行获得耦合列车-基础设施系统的动态响应所需的操作。可以说，这里执行的最重要的任务是：输入处理，默认值定义，车辆，轨道和桥梁模型的创建，模型的耦合，数值积分和附加结果计算。用户不需要编辑（或理解）B00_Calculation中的任何内容。模拟完成后，结果是一个新的结构变量Sol，其中包含存储在子字段中的所有结果。例如，用户可以在Sol.Beam.BM.max中请求模拟交叉事件的桥梁最大弯矩。再次参考手册（TTB-2D最后，脚本A00_Run还执行一系列函数，以生成模型的图形输出和计算的仿真结果。在执行仿真之前，系统会提示用户使用模型 的 示 意 图 表 示 来 确 认 定 义 的 适 当 性 。 此 外 ， 函 数C01_ModelDeformationPlot和C02_TimeHistoryPlot提供交互式图形环境，以直观地探索整个模型的结果。这些功能在第4节中的示例中 得 到 了 更 好 的 解 释 。 C03_TTB_2D_Plots 生 成 用 户 在A04_Options中请求的图形输出。可能的结果图包括3.2. 软件功能一般来说，TTB-2D的主要特点是，列车-基础设施交互的模拟，遵循用户可以容易地修改以模拟所需配置的简单脚本。然而，更具体地说，所呈现的软件提供了一系列值得列出的选项和可能性。下面列出了TTB-2D中最相关的附加功能轻松指定/修改所有模型参数和选项可以定义具有多个机车和/或货车的列车各种列车类型和车队配置根据PSD定义的轨道不平顺标准不规则PSD函数的预先实施示例可以定义自定义数量和类型的桥梁可选择在桥在模拟开始时减少轨迹长度的选项（这减少了模型的大小，从而减少了计算时间。但是，它可能会在模拟开始时引起接触力的更多详情请参见手册。）使用稀疏矩阵命令优化系统矩阵生成和耦合过程（这大大提高了计算性能。存储库中还包含了另一种可读性更强的实现，供用户·········丹尼尔·坎德尔软件X 20（2022）1012534打开/关闭车辆和基础设施之间的交互（耦合）选项（关闭交互以作为点荷载运行模拟。选择显示结果的图形形式使用几个预先实施的数字基于模拟结果计算附加结果（例如，车轮接触力、梁弯曲力矩等）将变量和结果组织为结构变量，便于数据管理用户手册提供附加说明，包括模型变量的详细说明、如何使用软件和建议在线存储库中提供的TTB-2D版本已经包含了一个工作示例。为了熟悉软件操作，用户可以轻松地运行软件而无需任何修改。下一节将进一步详细讨论同一个预先实现的示例。4. 说明性实例为了展示TTB-2D的功能，模拟了一个列车穿越事件，并使用预先实现的图形输出和可视化功能显示结果。特别是，该事件包括火车（单一车辆曼彻斯特基准[16]）以恒定速度（120 km/h）行驶，超过引道长度为30 m的轨道（数值来自[25]）、6级FRA轨道不规则性[22]和50 m长的有碴简支桥梁（取自[26]）。 数值求解器使用1/1000 s的时间步长，并包括列车和基础设施之间的相互作用。图图3显示了用户在运行TTB- 2D时可以轻松生成的可能的预实现图形输出的选择。该选择包括车轮接触力的时程响应图图3还显示了梁在空间和时间上的弯矩，以彩色等高线图的形式呈现，其中虚线表示每个车轮的位置。如果需要，用户可以请求附加图此外，所有模拟结果都可以在Sol变量下访问，供用户自己分析。可以使用交互式图形工具C01_ModelDeformationPlot直观地探索此示例的仿真结果。输出如图所示。图4显示了给定时间步长下轨道-桥梁系统的垂直变形。为（1）钢轨、（2）轨枕、（3）桥梁和底道碴（桥梁前后）的结果生成三个单独的子图。钢轨和梁的结果以连续线表示，因为它们代表连续的元素，而轨枕和道碴的集中质量以点表示。垂直线表示模拟列车通过的所有车轮的当前位置。通过交互式菜单，用户可以通过向前/向后移动显示的模拟时间来更改绘图，并选择要显示的载荷效应（变形，速度、加速度）。另一方面，功能C02_TimeHistoryPlot允许用户可视化轨道桥梁系统中某个特定节点的时间历程结果。函数输出的一个示例上部子图提供了模型的示意图，并突出显示了研究中的特定节点。其余两个子图显示了所研究节点的垂直位移（和旋转，如果适用）的时间历史。用户可以使用附带的菜单选择要显示的节点和加载效果。图三. 为说明性示例选择图形输出。5. 影响软件TTB-2D已用于多项合作研究，参见[4它被用来探索铁路工程和基础设施维护的新想法和策略。此外，合作伙伴报告说，TTB-2D易于学习和使用。因此，作者认为，它有可能被其他研究小组采用，以调查类似（或其他）的研究路线。这些潜在的新用户将大大受益于这一软件的提供。用户可以节省自己开发和验证这些模型的时间，并可以专注于分析和探索新的想法。这个验证的实现的火车基础设施的问题也可以作为基准的替代实现的问题。此外，当前的TTB-2D版本可以作为未来开发的起点，扩展软件6. 结论TTB-2D软件是一个经过验证的数值模型，可以模拟列车在通过桥梁时在轨道上行驶的动态响应。它实现了Matlab环境，一个简单的架构和可理解的符号，由用户手册支持。本文件简要介绍了该模式最相关方面的理论背景。此外，还向读者提供了如何使用该软件的指示TTB-2D的用户报告说，该软件易于学习和使用。作者认为，新用户可以很容易地采用这个软件进行有趣的新研究，或作为一个基准，以验证其他TTB的实现。·····丹尼尔·坎德尔软件X 20（2022）1012535见图4。 C01_ModelDeformationPlot的菜单和输出。竞合利益图五、C0 2 _ T i m e H i s to r y P lo t 的 菜单和输出。[3]The Math Works Inc.MATLAB，版本2020a。The Math Works，Inc; 2020.[4][10]杨文辉，陈文辉，陈文辉. Train–track–bridge作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作数据可用性文章中描述的研究未使用任何数据确认作者要感谢Therese Arvidsson（当时是一名博士）。瑞典KTH的学生），使用她自己独立开发的TTB实现来促进TTB-2D的验证。引用[1] Zhai W，Han Z，Chen Z，Ling L，Zhu S.列车-轨道-桥梁动力相互作用研究进展。VehSystDyn2019;57（7）：984-1027。http://dx.doi.org/10.1080/00423114.2019.1605085网站。[2] 杨永波，游建东，吴建生。车桥相互作用动力学应用于高速铁路。世界科学;2004年。并 审 查 参 数 。 Struct Infrastructure Eng 2016;12 （ 9 ） ： 1051-64.http://dx.doi.org/10.1080/15732479.2015.1076854网站。[5] 卡鲁米·坎迪·D铁路桥梁总荷载效应计算中跨中假定的数值评估《工程结构 》 2016;107 ： 1-8 。 http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2015.11.005 网站。[6] Canadian D，Rønnquist A.列车通过时铁路桥梁模态特性变化的数值评估ProcediaEng2017;199：2931-6.http://dx.doi.org/10.1016/j.proeng.2017.09.345网站。[7]Quirke P，Bowe C，OBrien EJ，Canadian D，Antolin P，Goicolea JM.基于车载惯性测量和视剖面的铁路桥梁损伤检测。工程结构2017;153：421-42.http://dx.doi.org/10.1016/j的网站。engstruct.2017.10.023网站。[8]OBrien EJ，Bowe C，Quirke P，Canadian D.利用车载惯性读数确定铁路轨道纵断面。ProcInstMechEng2017;231（5）：518http://dx.doi.org/10.1177/F0954409716664936网站。[9]Quirke P，Canadian D，OBrien EJ，Bowe C.使用在役车辆检测铁路轨道刚度 变 化 。 ProcInstMechEng2017;231 （ 4 ） ： 498-514 。http://dx.doi.org/10.1177/F0954409716634752网站。[10] [10]杨文辉，陈文辉. 使用在通过的列车上测量的转向架过滤位移数据的铁路轨道刚度损失检测。2021;6：93.http://dx.doi.org/10.3390/infrastructures6060093.[11] Fitzgeralda PC ， Malekjafariana A ， Canadian D ， OBrien EJ ，Prendergast LJ.基于小波方法的铁路桥梁行车冲刷监测。《工程结构》2019;191 ： 1-11 。 http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct 的 网 站 。2019.04.046。丹尼尔·坎德尔软件X 20（2022）1012536[12] 杨伟杰，李晓梅，李晓梅.铁路桥梁状态监测使用数值计算的反应，从一批列车。应用科学2022;12：4972. http://dx.doi.org/10.3390/app12104972网站。[13]放大图片作者：Nguyen K，Goicolea JM，Galbadon F. 动态效果比较采用简化的二维和全三维模型，对有碴轨道上的高速交通荷载进行了数值模拟。ProcInstMechEng2014;2228（2）：128-42。http://dx.doi.org/10.1177/F0954409712465710网站。[14]欧洲铁路研究所 铁路桥梁>速度200公里/小时。1999年，列车-桥梁相互作用（ERRI D214/RP 4）。[15] 坎伯兰湾VEqMon 2D-用Matlab生成2D车辆运动方程的工具SoftwareX2022;19：101103. http://dx.doi.org/10.1016/j.softx的网站。2022.101103。[16] 伊尼克曼彻斯特铁路车辆仿真基准车辆系统动力学：国际车辆机械与移动杂志1998;30（3http://dx.doi.org/10.1080/00423119808969454.[17]Nguyen K，Goicolea JM，Gabaldón F. 轨道影响车辆-轨道响应特性。ProcInstCivilEng：Transport2015;168（6）：499-509.http://dx.doi.org/10.1680/jtran.13.00090网站。[18]翟伟，王凯，蔡丙.车辆-轨道耦合动力学基础。Veh Syst Dy：Int J VehicleMechMobil2009;47 （ 11 ） ： 1349-76.http://dx.doi 的 网 站 。org/10.1080/00423110802621561。[19] Doménech A，Museros P，Martínez-Rodrigo MD.车辆模型对高速铁路简 支 梁 桥 最 大 弯 曲 响 应 预 测 的 影 响 。 工 程 结 构 2014;72 ： 123-39.http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2014.04.037网站。[20]Antolin P，Zhang N，Goicolea JM，Xia H，Astiz MA，Oliva J.高速铁路车桥动力相互作用中非线性轮轨接触力的考虑. 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