[发明专利]一种基于距离场的轨道车辆轮轨接触点计算方法

权利要求书

1.一种基于距离场的轨道车辆轮轨接触点计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基于轮轨廓形曲线离散点，利用三次NURBS曲线建立钢轨廓形曲线和车轮踏面廓形的参数化模型；

(2)采用网格化技术对钢轨轨头曲线及其周边区域进行处理，获得距离场网格，并保证该区域包括钢轨廓形曲线、车轮踏面轮廓曲线和车轮踏面垂直向上移动的部分；

(3)应用步骤(1)获得的钢轨廓形NURBS曲线点信息，结合步骤(2)获得的距离场网格，计算距离场中廓形曲线点到轨道廓形曲线的距离，并将之作为该点的场值，获得钢轨廓形曲线的距离场模型；

(4)结合NURBS曲线控制点的特点，搜索车轮踏面NURBS曲线上场值最小的控制点P_i′，在受P_i′控制的p+1段曲线段中，p为NURBS曲线的次数，再次搜索场值最小的点，并将之作为车轮踏面接触点；

(5)确定车轮踏面接触点之后，利用梯度算法，在钢轨廓形曲线的距离场中搜索车轮踏面曲线上具有最小场值的点，该点即为钢轨接触点；

(6)改变车轮轮对的横移量，获得新的轮轨廓形曲线离散点，重复步骤(1)～步骤(5)，即可计算得到不同横移量下的轮轨接触点。

2.根据权利要求1所述的一种基于距离场的轨道车辆轮轨接触点计算方法，其特征在于：所述步骤(2)中距离场网格划分包括以下步骤：

(2.1)选择合适的区域进行网格划分，获得距离场的计算区域范围，并保证该区域包括钢轨廓形曲线、车轮踏面轮廓曲线和将车轮踏面垂直向上移动的部分；

(2.2)根据计算精度和计算效率的实际需要，合理确定网格大小，进行网格划分。

3.根据权利要求1所述的一种基于距离场的轨道车辆轮轨接触点计算方法，其特征在于：所述步骤(3)中钢轨廓形曲线的距离场模型建模具体包括以下步骤：

(3.1)使用双线性插值方法，计算距离场网格范围内各点与钢轨廓形曲线的距离，并将之作为距离场场值；

(3.2)将钢轨廓形曲线内部的场值设为负值，将钢轨廓形曲线外部的场值设为正值，获得钢轨廓形曲线的距离场模型。

4.根据权利要求1所述的一种基于距离场的轨道车辆轮轨接触点计算方法，其特征在于：所述步骤(4)中车轮踏面接触点搜索具体包括以下步骤：

(4.1)为了提高搜索接触点的效率，避免直接对全部车轮踏面曲线数值点进行搜索、计算，根据NURBS控制点的局部控制特点，在钢轨廓形曲线距离场模型中，搜索场值最小的NURBS控制点P_i′；

(4.2)在受P_i′控制的p+1段曲线段中，p为NURBS曲线的次数，再次搜索场值最小的点，并将之作为车轮踏面的接触点。

5.根据权利要求1所述的一种基于距离场的轨道车辆轮轨接触点计算方法，其特征在于：所述步骤(5)中钢轨接触点搜索方法具体包括以下步骤：

(5.1)从车轮接触点(x⁽⁰⁾,y⁽⁰⁾)出发，取场值下降最快的方向为负梯度方向，并将之作为搜索方向，计算该点的梯度值，其计算公式为：

(5.2)沿该梯度方向前进一个步长，得到中间点(x^(k),y^(k))，计算其场值，再利用(5.1)的方法重新确定搜索方向，通过迭代计算的方法接近目标点；梯度迭代计算公式为：

其中，a_k为第k次迭代过程中点(x^(k),y^(k))沿下降最快方向▽f(x^(k),y^(k))的步长；

(5.3)在使用梯度法进行搜索时，设定容许误差Δ，当在点(x⁽ⁿ⁾,y⁽ⁿ⁾)的计算结果满足误差要求时，即结束叠代，该点即为钢轨接触点。

6.根据权利要求1所述的一种基于距离场的轨道车辆轮轨接触点计算方法，其特征在于：所述步骤(6)中所有轮轨接触点的计算具体包括以下步骤：

(6.1)为了获得不同轮对横移量下的轮轨接触点，只需要对步骤(1)中轮轨廓形的离散数据点横坐标进行对应的横移处理，获得新的轮轨廓形离散数据点；

(6.2)重复步骤(1)～步骤(5)，即可计算不同横移量下轮轨的接触点。