(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111323231.2 (22)申请日 2021.11.04 (71)申请人 中南大学 地址 410083 湖南省长 沙市麓山 南路932号 (72)发明人 刘堂红　熊小慧　张洁　刘宏康　 周伟　孙博　杨帆　夏玉涛　 (74)专利代理 机构 长沙朕扬知识产权代理事务 所(普通合伙) 43213 代理人 何湘玲 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 模拟铁路接触网的异物运动轨迹的计算方 法及计算机系统 (57)摘要 本发明公开了一种模拟铁路接触网的异物 运动轨迹的计算方法及计算机系统， 该计算方法 包括： 将铁路接触网所在的地形环 境和异物样式 结合实际情况建模， 其中计算域中异物周围地形 环境的空气流场区域做为背景区域， 包裹着异物 体的小部分空气体的异物流场区域做为重叠区 域； 将二者进行耦合以及空间离散； 采用基于剪 切应力运输湍流模型的延迟分离涡模拟方法对 流场的结果进行求解； 结合动态 流体固体相互作 用模型， 对空气流场区域和异物 流场区域之间动 态相互作用进行仿真； 得到并记录异物的运动轨 迹以及运动过程中的相关参数。 本发 明准确直观 地模拟了典型异物在大风条件下的运动过程， 对 改善铁路异物侵限和接触网运行安全具有工程 指导意义。 权利要求书2页 说明书8页 附图5页 CN 114048650 A 2022.02.15 CN 114048650 A 1.一种模拟铁路接触网的异 物运动轨 迹的计算方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 将铁路接触网所在的地形环境和异物样式结合实际情况建模， 其中计算域中异物周围 地形环境的空气流场区域做为背 景区域， 包裹着异物体的小部 分空气体的异物流场区域做 为重叠区域； 将背景区域以及重叠区域进行耦合， 并利用切割体网格对耦合后的背景计算 域和重叠区域进行空间离 散； 采用基于剪切应力运输湍流模型的延迟分离涡模拟方法对流场的结果进行求解； 结合 动态流体固体相互作用 模型， 对空气流场区域和异物流场区域之间动态相互作用 进行仿 真； 其中， 包括： 通过异物流场区域的异物的质心的平移方程和旋转方程 实现对异物运动的 求解， 得到并记录异 物的运动轨 迹以及运动过程中的相关参数。 2.根据权利要求1所述的模拟铁路接触网的异物运动轨迹的计算方法， 其特征在于， 在 所述对空气流场区域和异物流场区域之 间动态相互作用进 行仿真的过程中， 采用如下的三 个坐标系， 进行坐标的建立与转换配合以确定异 物的姿态和外力： 位于计算 域中心的为全局惯性 坐标系； 创建异物后， 生成以异物的质心为原点的体局部坐标系， 用于在整个模拟过程中显示 异物的当前位置和方向； 体局部坐标系与异 物固联， 随着异 物的运动而运动； 以及， 异物在动态仿真的计算时间t＝0时刻的初始坐标系， 用于定义异物 的体局部坐 标系的初始方向。 3.根据权利要求1所述的模拟铁路接触网的异物运动轨迹的计算方法， 其特征在于， 所 述异物的运动轨 迹以及运动过程中的相关参数， 包括： 位移、 方向和运动时间。 4.根据权利要求3所述的模拟铁路接触网的异物运动轨迹的计算方法， 其特征在于， 在 得到异物的运动轨迹以及运动过程中的相关参数后， 所述方法还包括： 利用瞬态求解和动 画求解视图方法， 瞬态求解用于根据时间查看运动轨迹以及运动过程中的相关参数； 动画 求解视图方法用于通过对异 物在大风环境下的运动轨 迹进行三维动画绘制。 5.根据权利要求2所述的模拟铁路接触网的异物运动轨迹的计算方法， 其特征在于， 所 述异物的质心的平 移方程， 根据全局惯性 坐标系设定： 其中， m为异 物质量， f为作用于异 物的合力， v为异 物的质心的速度， t为异 物运动时间。 6.根据权利要求2所述的模拟铁路接触网的异物运动轨迹的计算方法， 其特征在于， 所 述异物的质心的旋转方程， 根据体局部坐标系设定： 其中， M为惯性矩张量， ω为刚体角速度， n为作用于异物的合力矩， 其中惯性矩张量展 开为： 其中， Mxx， Mxy， Mxz， Mxy， Myy， Myz， Mxz， Myz， Mzz分别为惯性矩张量的9个分量。 7.根据权利要求6所述的模拟铁路接触网的异物运动轨迹的计算方法， 其特征在于， 所权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114048650 A 2述作用于异 物的合力矩通过以下 方式计算得到： 作用于异物的合力 包括重力fg＝mg， 耦合流体边界处的压力fp和剪切力fτ； 合力矩包括 作用于异 物的流体压力矩np和剪切力矩nτ： fp＝∑fpfaf                             (4) fτ＝‑∑fτfaf                            (5) np＝∑f[rf×(pfaf)]                       (6) nτ＝∑f[rf×( τfaf)]                       (7) 其中， pf为作用于面f的压力， af为面积矢量， rf为体质心到面f中心的矢量距离， τf为作 用于面f的剪切应力。 8.根据权利要求6所述的模拟铁路接触网的异物运动轨迹的计算方法， 其特征在于， 在 进行仿真时， 若异物在运动过程中与计算域的地面边界条件接触时， 按照接触耦合模型设 置相应的弹性系数k1， 阻尼系数k2： 其中， vn,rel为异物到达计算域边界 的预估速度， m为异物质量， d0为力作用的有效范围， dmin为异物应在达 到前停止的最小距离， A为预估的接触面积， 为阻尼量的常数因子 。 9.根据权利要求6所述的模拟铁路接触网的异物运动轨迹的计算方法， 其特征在于， 10.一种计算机系统， 包括存储器、 处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的 计算机程序， 其特征在于， 所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至9中任 一所述方法的步骤。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114048650 A 3