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 铁路机车车辆动力学仿真分析
UM Loco最早发布于1993年，是UM软件的第一个行业专用模块，主要用于铁路机车车辆系统动力学仿真分析。该模块支持建立全参数化的内燃机车、电力机车、客车和货车的多刚体模型，其中几何尺寸、质量、转动惯量、力元连接点、力元特性等参数均可以符号形式定义。微分方程和微分-代数方程是软件自动生成并求解的。通过时域仿真，模拟单节车辆或多节编组列车在直线或曲线上的运行工况。UM Loco模块可以与其他模块联合使用，如联合UM FEM模块可以建立机车车辆刚柔耦合系统（柔性体模型从有限元软件ANSYS、NASTRAN和ABAQUS等导入），进一步还可以进行结构疲劳耐久性分析（需要用到UM Durability模块）。 模块的主要功能
- 计算车辆系统自振频率和根轨迹等； - 计算车辆的线性和非线性临界速度； - 计算车辆或列车在直线或曲线轨道上的三维动力学行为； - 分析不同的轮轨型面对车辆动力学的影响； - 考虑不同的轨道不平顺激励对车辆动力学的影响； - 考虑不同的车轮缺陷（扁疤、椭圆、多边形）对车辆动力学的影响; - 联合UM FEM模块进行刚柔耦合系统建模与计算分析； - 联合UM Durability模块进行结构疲劳耐久性分析。
模块的专用工具
- 轮对是标准的参数化子系统； - 提供多种轮轨蠕滑模型来自动计算轮轨接触力 (Mueller model, FastSim algorithm, modified Kik-Piotrowski method, CONTACTetc.)； - 提供专门的图形窗口显示宏观的轮轨接触力和微观的轮轨接触斑; - 提供专门的轮轨型面文件制作工具； - 提供专门的轨道不平顺文件制作工具; - 提供专门的铁路线路文件制作工具； - 内置数十个轮轨分析常用的标准变量(如：蠕滑率，蠕滑力，冲角，磨耗因子，磨耗功率、轮轨力、脱轨系数、轮重减载率、构架力等)。
空气弹簧模型借助于UM气动模块，用户可以将完整的空气弹簧系统（包括气室、管路、孔口、储风缸、高度控制阀、空气压缩机等）加入车辆模型，能更加真实地模拟车辆的动力学性能。
轨道车辆用空气弹簧
完整的空气弹簧仿真模型图 铁路货车转向架模型由于造价低廉和易于维护，Y25型转向架和三大件式转向架广泛用于铁路货车。采用多体系统的基本理论和方法，用户使用UM软件可以很方便地建立这两种转向架模型。 UM软件实验室开发的Y25和三大件式转向架精细模型已经多次试验验证，可以用于货车车辆动力学、脱轨安全性和轮轨型面磨耗等。 Y25 转向架模型
Y25型转向架在欧洲铁路比较常见，下图就是用UM软件建立的仿真模型。
Y25转向架模型有15个刚体组成：1个构架，4个轴箱，4个弹簧座，4个推杆和4个轮对，总共50个自由度。使用了超过40个力元来描述弹性悬挂和刚体间的接触作用。
三大件式转向架模型
三大件式转向架在全球重载铁路运输中应用最多。在俄罗斯，18-100型三大件式转向架已经成为俄罗斯铁路的标准货车转向架。使用该型转向架的货车其动力学模型一般由19个刚体组成：1个车体，2个摇枕，4个侧架，8个斜楔和4个轮对，共计110个自由度。 用户使用UM可以轻松地将摩擦斜楔考虑到模型中，下图中每个斜楔具有6个自由度，分别与摇枕和侧架定义接触力元，这比其他的简化模型（无6个自由度）会更加精确。
在货车动力学模型中引入大量的接触力元，会导致病态方程（刚性方程）的出现，给数值求解带来困难。UM软件特别针对此类问题编写了优化算法，能快速并精确地求解。 俄罗斯用户的实践证明：考虑了斜楔完整自由度的模型的仿真结果与试验数据有更高的吻合度。
 软件验证20世纪90年代，英国曼彻斯特城市大学铁路研究所（The Rail Technology Unit ）提出了针对铁路车辆动力学仿真软件的考题 。UM实验室根据考题建立了相应模型，并严格按照工况进行了仿真，其结果与同类软件保持一致。详细的计算报告请见 10_UM_Loco_Manchester_benchmarks.pdf (1 Mb)。 俄罗斯的研究者Sakalo和Kossov通过对TE116机车进行试验和仿真对比，得到相对误差在15%以内。 Pavlukov在试验台对三大件式转向架进行试验，其结果和仿真数据的相对误差在10%以内。 |
