[发明专利]一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法

权利要求书

1.一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)使用钢轨轮廓扫描仪，获得磨损钢轨断面廓形的数据点坐标值，将之作为NURBS曲线的型值点，构建基于三次NURBS曲线的磨损钢轨打磨横断面廓形曲线参数化模型；

(2)在有限元软件中构建磨损钢轨参数化模型，并建立钢轨与车轮踏面的轮轨接触模型，用于分析轮轨接触应力值F；

(3)在动力学分析软件中建立磨损钢轨与轨道车辆轮对接触的动力学分析模型，分析轮轨动力学性能指标H，包括轮轨滚动圆半径差λ，轮重减载率J；

(4)利用步骤(2)在有限元软件中构建磨损钢轨参数化模型，调整参数化变量X，获得具有不同廓形的钢轨模型，计算获得不同参数化变量X对应的轮轨接触应力值F；

(5)利用步骤(3)建立的磨损钢轨与轨道车辆轮对接触的动力学分析模型，调整参数化变量X，获得具有不同廓形的钢轨模型，计算获得不同参数化变量对应的轮轨接触动力学性能指标H；

(6)使用步骤(4)和步骤(5)中的参数化变量X、轮轨接触应力值F和轮轨接触动力学性能指标H作为训练样本，基于Matlab软件Dace工具箱，构建钢轨廓形曲线参数X关于轮轨接触应力F与动力学性能指标H的Kriging模型；

(7)以轮轨接触应力F，轮轨滚动圆半径差λ和轮重减载率J作为优化目标，以钢轨参数化模型的参数化变量X为优化变量，以构建的钢轨廓形曲线参数关于轮轨接触应力F与动力学性能指标H的Kriging模型为目标函数，建立磨损钢轨的打磨目标廓形优化设计模型；

(8)使用步骤(7)构建的优化设计模型，获得优化的钢轨参数化模型调整参数X_opt，利用步骤(1)建立的钢轨的参数化模型获得最终的磨损钢轨打磨目标廓形。

2.根据权利要求1所述的一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，其特征在于，所述步骤(6)具体包括以下步骤：

(6.1)将磨损钢轨目标廓形曲线参数模型的可调整权因子ω作为参数化变量X，轮轨接触应力F和动力学性能指标H作为因变量；

(6.2)使用拉丁超立方抽样方法在设计空间中对可调整权因子ω进行随机抽样、组合，获得由具有不同形状的廓形曲线；

(6.3)应用步骤(4)和步骤(5)所述方法，分别计算不同打磨目标廓形对应的轮轨接触应力值F和轮轨动力学性能指标H；

(6.4)将可调整权因子ω和轮轨接触应力值F、动力学性能指标H组合起来，以此作为训练样本，应用Matlab软件的Dace工具箱构建轮轨接触应力值F和轮轨动力学性能指标H的Kriging预测模型。

3.根据权利要求2所述的一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，其特征在于，所述步骤(7)具体包括以下步骤：

(7.1)将轮轨接触应力值F最小，轮轨滚动圆半径差λ最大，轮重减载率J最小作为三个优化目标；

(7.2)将钢轨参数化模型的参数化变量X，即步骤(6.1)中的可调整权因子ω作为优化变量，且ω∈[0,2]；

(7.3)将步骤(6.4)中构建的轮轨接触应力值F和轮轨动力学性能指标H的Kriging预测模型为目标函数；

(7.4)将轮重减载率J作为约束指标，其取值区间为[0,0.6]，最终获得磨损钢轨的打磨目标廓形优化设计模型。

4.根据权利要求1所述的一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括以下步骤：

(1.1)以钢轨轨顶中心为原点，以水平方向为x轴，以竖直方向为y轴，构建钢轨的全局坐标系，在钢轨廓形曲线上均匀采样，获得n个位于钢轨廓形曲线的点坐标；

(1.2)以测量获得的n个钢轨廓形曲线点坐标为型值点，使用NURBS曲线方程，将NURBS权因子ω值均设置为1，构建磨损钢轨的三次NURBS曲线方程；

(1.3)以三次NURBS曲线方程的控制权因子ω为参数化变量X，以NURBS权因子ω原始值为中心，ω原始值取1，上、下浮动50％，获得基于可调整权因子的磨损钢轨打磨横断面廓形曲线参数化模型。