本发明涉及交通运输领域，具体涉及一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法。
背景技术：
1、重载铁路运输作为一种环境友好型和资源节约型的交通运输方式，因其具有运输能力强、运输效率高、运输成本低、低碳环保等优势而被国际社会公认为铁路货运的发展方向。然而，随着列车的编组扩大、运营速度提高、轴重增加、牵引力和制动力加大、制动波传递时间加长，列车的动态特性，特别是车辆牵引及制动过程中的纵向冲动特性变得异常复杂。由此带来一系列的重载列车关键部件失效问题，如车钩与钩尾框出现裂纹、缓冲器破损严重等。而且，在垂向与横向载荷共同作用的极端条件下还会发生脱钩、断钩，甚至脱轨等安全事故。危险情况下，将直接导致严重的人员财产伤亡事故。因此，如何实现包括牵引、制动与惰行等全工况下的重载列车动力学快速建模与仿真，并实现其动态行为评估对保障列车安全运行尤为重要。
2、目前，由于算力限制，在长大编组列车建模、纵向动力学研究方面，当前列车动力学研究或模型中往往将车辆模型大量简化，仅考虑关注车辆详细结构及运动，其他车辆则采用单质点模型建立长大编组列车动力学模型探究列车纵向动力学行为。或者建立小编组车辆-轨道耦合动力学模型，以探究轮轨动态相互作用行为。然而，现有方法和技术受到编组数量的限制，且无法综合考虑列车运行时牵引传动系统、制动系统和线路条件的影响。因此，现有方法主要适用于具体的研究对象和某个单一的工程问题，无法实现重载列车全工况模拟仿真。然而，在列车实际服役过程中，随着列车编组增大、轴重增加以及服役工况更加恶劣，重载列车的动力学行为将变得更加复杂和不可忽略。现有重载列车因编组数量的限制，通常都采用建立单质点模型且仅考虑其纵向运动的方式，无法全面反映列车的服役状态；而现有的商业软件因重载列车的自由度过于庞大，无法进行长大编组列车的仿真计算，不能对重载列车运行时的纵向动力学行为进行更加深入的探究。此外，现有的重载列车动力学模型中没有全面考虑牵引传动系统、制动系统以及线路条件带来的影响，忽略了这些子系统与列车的耦合作用，因而不能反应重载列车全工况运行条件下的纵向动力学行为。
3、因此，现有方法很难综合反映出重载列车全工况运行下的纵向动力学行为，而不能实现重载列车服役行为的精确评估。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法，能够反映重载列车全工况条件下机车及货车振动状态及相互作用关系，实现重载列车服役行为的精确评估。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法，包括以下步骤：
4、s1：构建车辆-牵引传动-制动系统动态耦合关系模型；其中建立齿轮传动系统扭转振动模型，建立考虑闸瓦-车轮踏面间界面摩擦的制动模型；
5、s2：构建机车与货车动力学模型；其中构建机车动力学模型包括机车车体、构架、轮对及牵引传动系统的动力学关系；构建货车动力学模型包括货车车体、构架、轮对及制动系统的动力学关系；
6、s3：采用循环变量法构建可考虑机车与货车分布、车辆参数演变的长大编组列车动力学模型；实现列车任意编组与分布的纵向动力学的模型建立。
7、进一步地，所述s1包括：列车齿轮传动系统的扭转振动模型为：
8、
9、
10、式中，θp和θg表示小齿轮、大齿轮角位移；和分别表示小齿轮、大齿轮角速度；和分别表示小齿轮、大齿轮角加速度；rp和rg分别表示小齿轮、大齿轮基圆半径；tp和tg分别表示作用在小齿轮和大齿轮的扭矩；km和cm分别表示综合啮合刚度和阻尼；
11、所述制动系统采用闸瓦制动方式，轮对产生的闸瓦摩擦力为其中∑k为闸瓦总压力，k为一块闸瓦的压力，为车轮踏面与闸瓦的摩擦系数。
12、进一步地，s2包括：所述机车与货车动力学模型为：
13、
14、其中，m为车辆质量矩阵，c为车辆阻尼矩阵，k为车辆刚度矩阵，f为车辆所受的外力矩阵，q为车辆自由度向量，为车辆自由度向量一阶导数；为车辆自由度向量二阶导数。
15、进一步地，所述s3包括：所述列车动力学模型为：
16、
17、其中，[mi]为第i辆车的质量矩阵，[ci]为第i辆车的阻尼矩阵，[ki]为第i辆车的刚度矩阵，yi为第i辆车的所有自由度的集合，{pi}为作用在第i辆车的外部作用力，{fi}为车辆之间的相互作用力；，为第i辆车的所有自由度的集合一阶导数；为第i辆车的所有自由度的集合二阶导数；
18、将列车的每一辆车均作为一个基本积分单元，带入所述列车动力学模型运动方程表达式分别进行计算；每辆车计算完成后都把计算结果存入中间变量；再释放自由度变量用以进行下一辆车计算，直到列车中所有的车辆都完成计算后，再进入下一步积分；下一步积分仍按上一步积分的模式进行，直到完成预先设定的计算时间。
19、一种重载列车全工况模拟仿真方法，采用所述的重载列车全工况模拟仿真模型，还包括：
20、利用重载列车全工况模拟仿真模型对车辆的动力学性能和/或悬挂设备的动态载荷环境进行仿真。
21、进一步地，对车辆的动力学性能和/或悬挂设备的动态载荷环境进行仿真，包括：
22、对车辆和/或悬挂设备的变量进行仿真，变量包括位移、速度、加速度和力。
23、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
24、1、提供一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法，通过参数化方法考虑不同线路状态、不同车辆状态和编组形式，并采用数值积分即可获得全列车动力学响应；
25、2、采用“循环变量法”实现重载列车动力学快速建模及仿真，突破重载列车高效快速建模及计算难题，能够更加准确揭示服役过程中列车纵向动力学行为；
26、3、构建考虑牵引、制动系统的列车全工况动力学分析体系，有效建立牵引传动、制动系统与重载列车动态关联，可准确揭示服役过程中全工况下重载列车纵向动态特性，为面向不同线路的重载列车安全运行提供理论支撑。
1.一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法，其特征在于：所述s1包括：列车齿轮传动系统的扭转振动模型为：
3.根据权利要求1所述的一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法，其特征在于：s2包括：所述机车与货车动力学模型为：
4.根据权利要求1所述的一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法，其特征在于：所述s3包括：所述列车动力学模型为：
5.一种重载列车全工况模拟仿真方法，其特征在于，采用权利要求1-4中任一项所述的重载列车全工况模拟仿真模型，还包括：
6.根据权利要求5所述的重载列车全工况模拟仿真方法，其特征在于，对车辆的动力学性能和/或悬挂设备的动态载荷环境进行仿真，包括：
