[发明专利]一种基于轮轨接触参数的钢轨打磨目标廓形优化设计方法

权利要求书

1.一种基于轮轨接触参数的钢轨打磨目标廓形优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、测取铁路线路上多组需要打磨的钢轨截面廓形曲线的坐标点数据，使用局部加权回归法进行廓形曲线的平滑滤波；

S2、对滤波平滑后的多组样本廓形曲线依次取它们对应坐标点的算术平均值重新构建一条钢轨廓形曲线，作为该组钢轨样本廓形曲线的代表廓形曲线；

S3、将步骤S2钢轨代表廓形曲线的坐标点作为NURBS曲线的型值点，使用不少于3次NURBS曲线插值拟合的方法对代表廓形进行拟合，建立钢轨代表廓形的数值计算模型；

S4、利用步骤S3中拟合得到的钢轨代表廓形，使用迹线法求解二维轮轨接触几何参数，得到车轮在不同横移量下轮轨接触点的位置以及接触点在钢轨代表廓形上的分布概率密度曲线；

S5、利用步骤S3和步骤S4中钢轨代表廓形NURBS曲线的控制权因子，根据轮轨接触点的分布位置确定钢轨代表廓形的优化区域，调整该区域NURBS曲线的n个控制权因子ω_i,i∈{1,2,3,…,n}，生成多组钢轨廓形曲线；

S6、利用步骤S5生成的钢轨廓形曲线坐标点数据编写成多体动力学软件可用的钢轨型面文件，根据实际轨道线路及车辆参数在多体动力学软件建立车辆和轨道的三维仿真模型，将钢轨型面文件导入模型中搭建车辆轨道动力学仿真计算模型；

S7、使用步骤S6的仿真模型计算得到车辆运行过程中轮轨接触的接触应力P，车辆导向轮之间的滚动圆半径差Δr以及轮轨接触的磨耗功W_t；

S8、将步骤S5中钢轨代表廓形待优化区域的NURBS曲线控制权因子ω_i,i∈{1,2,3,…,n}作为设计变量，将步骤S7中轮轨接触的接触应力P、车辆导向轮之间的滚动圆半径差Δr以及轮轨接触的磨耗功W_t作为优化目标，搭建钢轨代表廓形的多目标优化模型；

S9、利用步骤S8的多目标优化模型计算得到优化后的钢轨廓形NURBS曲线的控制权因子ω_i,i∈{1,2,3,…,n}，并利用步骤S3构建优化后的钢轨廓形曲线，从而获得最终的钢轨打磨目标廓形。

2.如权利要求1所述的基于轮轨接触参数的钢轨打磨目标廓形优化设计方法，其特征在于，所述步骤S8具体包括以下步骤：

S81、将待优化区域的n个NURBS曲线控制权因子ω_i,i∈{1,2,3,…,n}作为设计变量，且ω_i∈[0,1]，曲线上其他区域的权因子均默认为1；

S82、使用最优拉丁超立方实验设计的方法，抽样生成m组权因子组合，使用生成的权因子组合与其他区域的权因子共同作为钢轨廓形NURBS曲线的权因子，重新构建m个形状不同的钢轨廓形曲线，生成步骤S5中的多组钢轨廓形曲线，其中m≥2n+1；

S83、将步骤S5的权因子ω_i,i∈{1,2,3,…,n}与步骤S7对应计算得到的接触应力P，滚动圆半径差Δr以及磨耗功W_t构成m组样本数据，使用RBF径向基神经网络代理模型技术，将m组样本数据作为代理模型的训练样本，建立设计变量与优化指标的代理模型；

S84、以轮轨接触的接触应力P最小，车辆导向轮之间的滚动圆半径差Δr最大以及轮轨接触的磨耗功W_t最小作为优化目标，以权因子ω_i,i∈{1,2,3,…,n}作为设计变量，基于构造的代理模型使用NSGA-II算法进行多目标寻优计算，得到最优权因子组合ω_i,i∈{1,2,3,…,n}及其对应的最优轮轨接触参数。

3.如权利要求1所述的基于轮轨接触参数的钢轨打磨目标廓形优化设计方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、以钢轨代表廓形曲线靠近左侧1:40斜率的直线边的起点为原点，在步骤S2的钢轨代表廓形曲线上的坐标点均匀地选取k个坐标点作为NURBS曲线插值拟合的型值点；

S32、采用积累弦长参数化法计算钢轨代表廓形NURBS曲线的节点矢量，使用切矢边界条件确定钢轨代表廓形NURBS曲线的边界条件，反算钢轨代表廓形NURBS曲线的控制顶点，最终确定钢轨代表廓形的NURBS插值拟合曲线。

S33、将NURBS曲线的权因子初始值均设置为1，建立钢轨代表廓形曲线的数值计算模型，调整权因子的值就能够得到不同形状的钢轨廓形曲线。