（载运工具运用工程专业论文）铁道车辆舒适性虚拟试验技术的研究.pdf

摘要 舒适性是现代铁道客车车辆的一个主要性能指标，所有新开发的 铁道客车车辆都应进行舒适性分析和试验。传统的舒适性分析方法是 进行实车试验，测量相应的数据，再根据舒适性评定标准进行计算评 定。这种方法不仅成本高、耗时费力，而且在车辆设计阶段不能对车 辆舒适性进行评估，难以确定合理的设计方案。虚拟样机技术、虚拟 现实技术的发展，为铁道车辆舒适性的早期评估提供了新的途径。通 过研究铁道车辆舒适性虚拟试验技术，建立虚拟的试验环境，可在产 品的设计阶段“呈现”和“体验”试验过程，具有理论的深刻性和工 程应用的双重意义。 本文围绕铁道车辆舒适性的虚拟试验技术，在研究桌面式铁道车 辆舒适性虚拟试验系统构造的基础上，主要进行了如下几个方面的研 究工作：分析研究了铁道车辆舒适性评估标准、建立舒适性动力学分 析模型、构建铁道车辆舒适性试验虚拟场景、铁道车辆舒适性试验数 据的可视化等。 在建立铁道车辆舒适性动力学模型方面，在a n a i i s r a i l 环境下 建立了具体的虚拟样机模型。考虑多种舒适性影响因素，定义了相应 的车轮模型和轨道不平顺模型。在随机输入激励下，实现了铁道车辆 振动模型的时域仿真求解。在此基础上，对铁道车辆多种工况下运行 的舒适性进行了分析计算，并且与相应的舒适性标准进行了对比，对 铁道车辆的舒适性作出了评估。 在构建铁道车辆舒适性试验虚拟场景方面，利用c r e a t o r 软件建 立了铁路轨道虚拟试验场景数据库，包括轨道、桥梁、隧道、站台、 河流、草地、树木、山脉等对象。利用p r o e n g i n e e r 和c r e a t o r 软 件建立了包含纹理和色彩的铁道车辆虚拟现实模型数据库。使用v e g a 编程工具，实现对虚拟试验场景和铁道车辆模型数据库的调用。铁道 车辆模型在虚拟试验场中行驶时，能够模拟轮对的转动、摇枕和轴箱 弹簧的振动、转向架构架及摇枕的振动。 在铁道车辆舒适性试验数据的可视化方面，利用m e a s u r e m e n t s t u d i o 开发工具，建立了铁道车辆舒适性虚拟试验仪表。通过读取离散 后的加速度试验数据，在虚拟仪表中实现了加速度曲线的动态显示。 同时，通过虚拟仪表能精确的显示车辆的运行速度和舒适性状态。利 用v e g a 提供的双通道和立体支持功能，分别绘制了车辆虚拟试验状 态的左、右通道图像。配合专业显卡和液晶光闸眼镜，通过对左、右 通道图像的切换，使左、右眼交替看到左、右通道图像。实现了舒适 性虚拟试验过程的立体显示，使试验者达到了较高的沉浸感。 关键词铁道车辆，舒适性，虚拟试验，可视化 n c o m f o r ti sam a i np e r f o r m a n c ei n d e xo fm o d e mr a i l w a yp a s s e n g e r v e h i c l e , a n dt h ea n a l y s i sa n dt e s t so nc o m f o r ta r en e c e s s a r yf o ra l ln e w l y d e v e l o p e dr a i l w a yp a s s e n g e rv e h i c l e s 1 1 地t r a d i t i o n a lp a t t e r nf o rc o m f o r t a n a l y s i si sc a r r y i n go u tr e a lv e h i c l ee x p e r i m e n t , s u r v e y i n ge x p e r i m e n t d a t a , a n dc a r r y i n g o u tc o m f o r tc o m p u t a t i o na c c o r d i n gt oc o m f o r t e v a l u a t i o ns t a n d a r d s t h i sp a t t e r ni sc o s t l ya n dt i m ec o n s u m i n g ，a n dc a n n o tc a r r yo u tc o m f o r te s t i m a t i o na n d p r e d i c t i o nd u r i n gd e s i g ns t a g e a sa r e s u l t i ti sv e r yd i f f i c u l tt om a k ear a t i o n a lv e h i c l ed e s i g ns h e m e 硼1 e d e v e l o p m e n to fv i r t u a lp r o t o t y p ea n dv i r t u a lr e a l i t yt e c h n i q u ep r o v i d ea n e wa p p r o a c hf o rv e h i c l ec o m f o r te v a l u a t i o ni nt h ee a r l yp h a s e , w h i c h c a l l a d i s p l a y a n d e x p e r i e n c e t h ec o m f o r te x p e r i m e n tc o u r s et h r o u g h t h ev i r t u a le x p e r i m e n tt e c h n o l o g yo fr a i l w a yv e h i c l ec o m f o r ta n dv i r t u a l e x p e r i m e n te n v i r o n m e n t t b er e s e a r c hw o r kh a sd o u b l es i g n i f i c a n c ei n b o t ht h e o r ya n de n 西丑j e e 面哆 i nt h eb a s eo fs t u d y i n go nt h ed e s k t o pv i r t u a le x p e r i m e n ts y s t e mo f r a i l w a yv e h i c l ec o m f o r t , t h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e 2 t sr e s e a r c hw o r k s a r e c a r r i e do u tr e v o l v i n gt h ev i r t u a le x p e r i m e n tt e c h n o l o g yo f r a i l w a yv e h i c l e c o m f o r t ：a n a l y s i n ga n dr e s e a r c h i n gr a i l w a yv e h i c l ec o m f o r te v a l u a t i o n c r i t e r i a ；e s t a b l i s h i n gd y n a m i c sa n a l y s i sm o d e lo fc o m f o r t ；c o n s t r u c t i n g v i r t u a le x p e r i m e n ts c e n eo fr a i l w a yv e h i c l ec o m f o r t ；v i s u a l i z a t i o n c o m f o r te x p e r i m e n td a t ao f r a i l w a yv e h i c l ea n ds oo n i nt h ea s p e c to fe s t a b l i s h i n gr a i l w a yv e h i c l ed y n a m i c sm o d e lo f c o m f o r t ，t h ev i r t u a lp r o t o t y p em o d e li se s t a b l i s h e di nt h ea d a m s r a i l e n v i r o n m e n t c o n s i d e r i n gs e v e r a lk i n d so fi n f l u e n c ef a c t o r , t h ew h e e l m o d e la n dt h et r a c ki r r e g u l a r i t ym o d e la r ed e f i n e dc o r r e s p o n d i n g l y u n d e rt h er a n d o mi n p u td r i v e ，t h et i m ed o m a i ns i m u l a t i o ns o l u t i o no f r a i l w a yv e h i c l ei sr e a l i z e d o nt h eb a s e ，c o m f o r to fr a i l w a yv e h i c l ei s a n a l y z e da n dc a l c u l a t e di ns e v e r a lw o r k i n gc o n d i t i o n , a n de s t i m a t e d a c c o r d i n gt ot h ec o m f o r ts t a n d a r d i nt h ea s p e c to fc o n s t r u c t i n gv i r t u a le x p e r i m e n ts c e n eo fr a i l w a y i i l v e h i c l ec o m f o r t ，t h ev i r t u a le x p e r i m e n ts c e n ed a t a b a s eo ft h er a i l w a y t r a c ki se s t a b l i s h i n gi nc r e a t o rs o f t w a r e ，i n c l u d i n gt r a c k 、b r i d g e 、m n n e l 、 p l a t f o r m ，r i v e r s ，l a w n ，t r e e s ，s i e r r aa n d s do n 。刀船v i r t u a le x p e r i m e n t m o d e ld a t a b a s eo fr a i l w a yv e h i c l ec o n t a i n i n gt e x t u r ea n dc o l o ri s e s t a b l i s h e db yu s i n gp r o e n g i n e e l a n dc r e a t o r t r a n s f e r i n go fv i r t u a l e x p e r i m e n ts c e n ea n dv i r t u a lr a i l w a yv e h i c l ei s a c h i e v e db yt h ev e g a p r o g r a mt o o l s t h ev i r t u a lr a i l w a yv e h i c l ec a ns i m u l a t et h er e v o l u t i o no f w h e e l s ，t h ev i b r a t i o no fa x l eb o xa n db o l s t e rs p r i n g ，a n dt h ev i b r a t i o no f f r a m ea n db o l s t e rw h e ni tr u n si nt h ev i r t u a le x p e r i m e n t 囟c i 黜 i nt h ea s p e c to fv i s u a l i z a t i o no fr a i l w a yv e h i c l ec o m f o r te x p e r i m e n t d a t a , t h ev i r t u a le x p e r i m e n ti n s t r u m e n t so fr a i l w a yv e h i d ec o m f o r ti s e s t a b l i s h e db vu s i n gm e a s u r e m e n ts t u d i od e v e l o p m e n tt 0 0 1 1 1 1 ev i r t u a l i n s t r u m e n t sc a l la c h i e v ed y n a m i cd i s p l a yo fa c c e l e r a t i o nt h r o u g hr e a d i n g d i s p e r s e da c c e l e r a t i o nt e s td a t a , a n dt h e yc a na l s op r e c i s e l yd i s p l a yt h e v e h i c l er u n n i n gs p e e da n dc o m f o r ts t a t e v e g ap r o v i d e sd o u b l ec h a n n e l a n dt h r e e - d i m e n s i o ns u p p o r tf u n c t i o n , a n dt h ep a p e rh a ss e p a r a t e l yd r e w u pt h ev e h i c l es t a t ep i c t u r eo fv i r t u a le x p e r i m e n tt o t h el e f ta n dr i g h t c h a n n e l i tc a n1 e tl e f te y et os e el e f tc h a n n e lp i c t u r ea n dr i g h te y et os e e t h er i g h tc h a n n e lp i c t u r et h r o u g ht h es w i t c ho fs p e c i a ld i s p l a yc a r da n d l i q u i dc r y s t a lc l a s s t h i sc a na c h i e v es t e r e od i s p l a yo fc o m f o r tv i r t u a l e x p e r i m e n t , a n dt h et r i e r sc a n a c h i e v eh i g h e ri m m e r s e df e e l i n g k e yw o r d s r a i l w a yv e h i c l e ，c o m f o r t a b l eq u a l i t y ，v i r t u a l e x p e r i m e n t ，v i s u a l i z a t i o n i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：堑i ! 茎日期：塑年圭月互日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 日期：2 嗥年_ ! 月旦日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 课题的提出 第一章绪论 随着人类科技水平和生活水平的提高，人们对铁道车辆的要求不仅是提高速 度，而且对其舒适性也提出了更高的要求。目前的舒适性概念不仅是设施和服务 上的奢华，而主要是在人体工程学的基础上考虑符合人体生理特性的要求。世界 上许多国家的铁路已把“舒适”作为设计控制的一项重要指标。 国内外针对铁道车辆的舒适性，已经制定了多种舒适性评定的标准。但是， 传统的舒适性评估方法是通过实车试验，测量相应的数据，然后再根据舒适性评 定标准进行计算评定。这种基于实车数据的评定方法特点是评定结果较为精确可 信，但是成本高，耗时费力，而且在车辆设计阶段不能对车辆舒适性进行评估， 难以确定合理的设计方案。故而，寻找一种新的能够取代实车试验的测量评估方 法势在必行。 计算机技术的发展，虚拟现实技术的逐渐应用，可以实现在计算机上建立铁 道车辆的虚拟现实模型和虚拟试验场，使虚拟铁道车辆模型在虚拟试验场中行驶， 同时通过虚拟试验测量出舒适性评估所需的数据，进而对舒适性评估啪。实现 设计人员、产品用户及销售维修人员协同工作，共同感受未来车辆产品的舒适性， 从而获得对铁道车辆产品多方面、多层次的建议，达到从全局优化，提高车辆的性 能指标。同时，缩短开发周期，降低开发费用。 1 1 2 虚拟试验技术的基本内涵 1 虚拟试验的基本概念 虚拟试验是在虚拟环境中进行的试验，虚拟试验环境是基于软件工程研制的 仿真试验系统，设计者将试验产品( 虚拟原型) 安装在试验环境里进行“试验”， 借助交互式技术和试验分析技术，使设计者在设计阶段就能对产品的运行性能进 行评价或体验“。换句话说，虚拟试验就是在计算机系统中采用软件代替部分硬 件或全部硬件来建立各种虚拟的试验环境，使试验者可以如同在真实的环境中一 样，完成各种预定的试验项目，使所取得的试验效果接近或等价于在真实环境中 所取的效果“”。因此，虚拟试验的实簏一般需要以下几个步骤幢h 7 删： 硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 虚拟试验场建立； ( 2 ) 虚拟原型的开发； ( 3 ) 虚拟原型在虚拟试验场中的调用； ( 4 ) 试验结果的存储与回放。 2 虚拟试验的优势 虚拟试验系统不仅可以作为真实试验的前期准备工作，而且可以在一定程度 上替代传统的试验。与传统试验相比它具有以下优点： ( 1 ) 可以大幅度减少样机制造试验次数，缩短新产品试验周期，同时，降低 实际试验的费用。 ( 2 ) 虚拟试验技术应用子复杂产品开发中，可以实现设计者、产品用户在设 计阶段的互反馈，使设计者全方位吸收、采纳对新产品的建议。 ( 3 ) 虚拟试验技术代替实际试验，实现了试验不受场地、时间和次数的限制， 可对试验过程进行回放、再现和重复。 1 2 虚拟试验技术国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 计算机技术的不断发展，硬件性能的不断提高，推动了虚拟试验在工程中的 应用1 9 7 2 年，美国通用汽车公司首先开发了车辆动力性和经济燃油性的通用 预测程序6 p s i m ，该程序可以模拟汽车在任何工况下的瞬时油耗、累计油耗、行 驶时间和距离，预测汽车设计参数如：质量、传动比、空气阻力系数等的变化对 汽车性能的影响。美国能源复用实验室在m a t l a h 的环境下，利用s i m u l i n k 工具 箱开发的a d v i s o r ( a d v a n c e dv e h i c l es i m u l a t o r ) ，能够在汽车未成型前评价 出普通汽车、电动汽车和混合动力汽车的动力性、经济性和排放等性能脚。 美国北卡大学虚拟环境实验室，开展了车辆驾驶员虚拟环境的研究，具有极 强的工程应用性。美国如i 公司开发的a d a m s 软件是构造产品的虚拟原型的一个 很好的平合，其中的c a r 模块是岫i 公司与a u d i ，b u w , r e n a u l t 和v o i v o 公司 合作开发的整车虚拟设计软件包，集成了它们在汽车设计、开发等方面的经验。 利用该模块、工程师可以快速建造高精度的整车虚拟样机( 包括车身、悬架、传 动试验、发动机、转向机构、制动系统等) 并进行仿真，通过高速动画直观地显 示在各种试验工况下( 例如：天气、道路状况、驾驶员经验) 整车动力学响应，输 出标志操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的特征参数，从而减少对物理 样机的依赖。 v t l ( v i r t u a lt e s tl a b ) 系统是由美国g r s ( m e c h a n i c a lt e s ts y s t e m ) 公司 2 硕士学位论文 第一章绪论 研制的虚拟试验系统，该系统通过在产品或者部件上安装虚拟传感器，并将虚拟 原型安装在不同的试验环境中，可获得产品的疲劳强度、动态特性、操作舒适性、 噪声以及振动等试验结果。在v t l 环境中，一旦虚拟模型确定，可以反复进行试 验，并根据虚拟试验结果对设计进行反复修改，从而获得最佳设计方案。 1 9 9 9 年1 0 月在德国慕尼黑召开的第1 3 届国际地面机器系统力学大会上， 德国学者i n g o b e r t c s c h m i d 对一辆带有主动悬挂系统的二轴卡车在随机选定的 路面上，对路面土壤和车轮之间的作用进行了虚拟仿真试验。轮胎模型采用的是 f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) r i 0 1 , 仿真的结果采用曲线和图像输出，轮胎在地 面的作用下变形的过程被实时地用图像表现出来，驾驶员驾驶车辆时的前方视景 根据提供的数字地面被逼真再现，他的研究成果受到了广泛的关注。 戴姆勒一奔驰汽车公司已成功地将虚拟试验技术用于系列高速轿车的产品 开发中。设计者只要给出新车型、新部件的设计方案和参数，就可通过汽车动态 仿真器进行仿真试验，从而准确预测和评价新型汽车的动力学特性。由于车辆的 破坏性碰撞和安全性试验既危险成本又高，所以往往要先进行计算机仿真，然后 进行实车试验。较为成熟的c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y ) 软件也能对车辆的碰撞进行仿真和进行安全性的分析，如利用悬架系统模型和前 向撞击模型就能准确地对车辆的动力学机械变形、冲击载荷的形式和受力的路 径、车辆对撞击能量的吸收等进行分析。然而在v p g ( v i r t u a lp r o v i n gg r o u n d ) 中。1 ，除了能完成上述的撞击仿真和分析外，在整车的翻转事故的虚拟再现和分 析更具魅力。实际上，多辆汽车同时发生相撞而倾翻的事故比一辆汽车发生倾翻 事故的可能性大，据统计约占7 3 5 ，多辆车辆碰撞的虚拟试验正在进行研究。 在铁道车辆方面，德国学者a s t r i b e r s k y 洲等针对德国西门予公司不同型 号的铁道车辆，利用s i m p a c k 软件建立了铁道车辆不同子结构数据库，这些子结 构数据库包含了不同型号铁道车辆的所有结构类型。利用建立的数据库，可以组 装出各种不同类型的铁道车辆。在此基础上，他们成功的开发出了铁道车辆动力 学计算和舒适性评估系统。 1 2 2 国内研究现状 与西方发达国家相比，国内在虚拟试验方面的研究单位主要集中在高校。清 华大学提出了在虚拟试验场中的轮胎模型研究的课题，利用轮胎试验参数建立轮 胎在滚过不平路面时的时域内的动力学模型，并考虑滚动过程中车轴运动和地面 有不平度时的接触问题，模拟实际路面上轮胎轴荷的动力学响应，为汽车的虚拟 试验场提供科学的轮胎模型。 中国农业大学提出了“汽车一驾驶员环境闭环系统操纵稳定性虚拟试 3 硕士学位论文第一章绪论 验技术的研究”题目，基于桌面虚拟现实系统( d e s k t o pv i r t u a lr e a l i t y s y s t e m ) ，开发了汽车操纵稳定性虚拟试验的软件平台，并在该试验平台上进行 了桑塔纳轿车( 3 3 0 k 8 d l o l s d i ) 操作稳定性典型路况( 双移线、蛇行线) 的虚拟试 验( 仿真试验) 和对其提出的模糊神经网络驾驶员控制模型进行了虚拟仿真试验 “小州啪。试验结果表明：虚拟试验与实际试验具有较好的一致性，虚拟试验能较 好地虚拟再现实车试验的场景，参与者能交互地控制仿真过程，使人们对车辆运 动仿真的分析、理解变得更为容易“”“”。 浙江大学的c a d c g 国家重点实验室在计算机图形学、虚拟现实技术等方面 己经积累7 不少研究成果。新近建成了具有国际领先的c a v e 虚拟现实环境嘲， 利用c a v e 虚拟现实环境，开展了虚拟设计、制造和试验研究。 吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室对汽车防抱制动系统( a b s ) 混合仿真 实验台进行系统分析嘲，建立了用于硬件在环仿真的车辆模型、轮胎模型、路面 模型以及a b s 液压系统模型，并进行了硬件在环仿真实验。它将a b s 实际部件嵌 入到软件环境中进行混合仿真，极大地扩展了软件仿真的功能，为a b s 产品开发 提供了开发工具和试验平台。 在铁道车辆虚拟样机方面，主要集中在2 个项目研究：一是以清华大学、大 连交通大学等高校参与的“8 6 3 ”计划项目“铁路机车车辆虚拟样机”研究“”。 另外一个研究群体是以西南交通大学为主，联合国内在样机模型、性能分析等方 面有较强实力的单位进行联合开发，旨在建立一个大概念的铁路机车车辆虚拟样 机综合分析平台，以解决目前计算分析平台不一致，自主研制的软件不能相容等 技术问题。 西南交通大学和大连交通大学在铁道车辆虚拟现实方面也进行了一些研究， 实现了磁浮列车运行、列车驾驶室、铁道货车装载过程等视景仿真“目。铁道车辆 舒适性的虚拟试验，经过大量的文献检索，目前还没有相关研究单位结合虚拟样 机和虚拟现实进行研究。 1 3 课题涉及的关键技术 1 3 1 虚拟样机技术 1 虚拟样机技术的概念 简单地说，虚拟样机技术就是用来代替真实的物理样机( 模型) 技术“町。在常 规产品开发过程中，物理样机模型是用来验证设计思想，选择设计产品，测试产品 的可制造性和展示产品。虚拟样机要替代物理样机，至少要具备上述功能。这样 看来，虚拟样机可以用来测试产品的外形和行为，也可以用来进行一系列的研究。 4 硕士学位论文第一章绪论 另外，物理样机可使入对一个产品有一种感官的评价，如颜色、外形、美学特性， 因此人和产品的交互应该包含在虚拟样机里。 通过以上分析，虚拟样机技术就是用来代替物理产品的计算机数字模型，它能 像真实物理模型一样，对所关心产品的全寿命周期，如设计、制造、服务、循环利 用等，进行展示、分析和测试。这种构造和使用虚拟样机的技术就叫虚拟样机技 术岫。 2 虚拟样机技术的特点 同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以下特 点1 川： ( 1 ) 全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这种 方法存在很多的弊端。而虚拟样机技术真正地实现了系统角度的产品优化，它基 于并行工程( c o n c t w r e n te n g i n e e r i n g ) ，使产品的概念设计阶段就可以迅速地分析、 比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、预测 产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能。 ( 2 ) 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。采用虚拟样机 设计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型 ( 即虚拟样机) ，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验( 成本和时间条件 不允许) ，从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案，因此不但减少了物 理样机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。 ( 3 ) 实现动态联盟的重要手段。目前世界范围内广泛地接受了动态联盟 ( v i r t u a lc o m p a n y ) 的概念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资 源的局限性，出现了在一定时间内，通过i n t e r n e t 临时缔结成的一种虚拟企业。 为实现并行设计和制造，参盟企业之间产品信息的敏捷交流尤显重要，而虚拟样 机是一种数字化模型，通过网络输送产品信息，具有传递快速、反馈及时的特点， 进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。 1 3 2 虚拟现实技术 1 虚拟现实技术的概念 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) n 帕，这一名词是由美国科学家j a r o nl a n i e r 上世纪在8 0 年代初提出的，也称为灵境技术或人工环境。随着技术的进步和应 用面的拓宽，进一步发展和充实了虚拟现实的内涵。这种复杂性，使得至今尚没 有确定的定义目前比较公认的较精确定义。 目前比较公认的较精确的定义是：采用以计算机技术为核心的现代高科技生 成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备( 如 5 硕士学位论文 第一章绪论 特制的衣服、头盔、手套和鞋等) 以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作 用、相互影响，从而产生。沉浸”于等同真实环境的感受和体验洲 2 虚拟现实技术的特点 虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映， 其基本特征是它的3 i 特性“”嘲嘲1 ：即沉浸感( i n n e r s i o n ) 、交互性 ( i n t e r a c t i o n ) 、构想性( i m a g i n a t i o n ) 沉浸感是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。由于他所看到 的、听到的、感受到的一切内容非常逼真，因此他相信这一切都是“真实”的。 理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度，甚至比真的还“真”，如 实现比现实逼真的照明和音响效果等。 交互性是指用户对虚拟环境内物体的可操作程度和从虚拟环境中得到反馈 信息的自然程度( 包括实时性) 。用户进入虚拟环境后，不但可以通过各种先进的 传感器获得逼真的感受，而且可以用自然的方式对虚拟环境中的物体进行操作。 构想性是指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位 的获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。 3 虚拟现实研究内容和关键技术， 虚拟现实是多种技术的综合，其关键技术和研究内容包括以下几个方面： c l 帕【嘲【2 日 ( 1 ) 动态环境建模技术一虚拟环境的建立是1 ，l 【系统的核心内容，动态 环境建模的目的就是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的 三维数据建立相应的虚拟环境模型。 ( 2 ) 实时三维图形生成技术一三维图形的生成技术已经较为成熟，但复 杂场景的“实时”显示一直是计算机图形学的难点。 ( 3 ) 立体显示和传感器技术虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传 感器技术的发展，现有的设备远远不能满足需要。 ( 4 ) 应用系统开发虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即 如何发挥想像力和创造性。 ( 5 ) 系统集成技7 i 一由于v r 系统中包括大量的感知信息和模型，因此 系统集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定 技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术等等。 6 硕士学位论文第一章绪论 1 4 舒适性虚拟试验的意义和研究内容 1 。4 1 舒适性虚拟试验的意义 随着人们对铁路客运要求的提高，尤其是舒适性要求的提高，需要在原有评 估方法的基础上，研究出更方便、更准确的评估方法。 一般的评估方法是通过铁道车辆试验，测量必须数据，然后进行评估。但是， 由于铁道车辆试验地点分散、不确定，造成试验所选场地随机性很大，很难准确 的控制试验条件，只能主观的对环境条件做出判断。另外，铁道车辆试验要进行 频繁的场地转移，既延长了试验周期，又浪费了大量的人力、物力。因此，在计 算机技术以及仿真手段日益发展的情况下，完全可以应用计算机仿真进行铁道车 辆性能的虚拟试验。 虚拟试验技术针对虚拟样机技术无法真实再现试验环境的不足，在虚拟样机 技术的基础上结合虚拟现实技术，使建立具有真实感的虚拟试验场成为可能。并 且增加了试验的沉浸感效果，使试验不仅能达到虚拟样机中的精确性，同时能够 较好的再现真实的试验场景，使试验者达到身临其境的效果。 虽然虚拟试验当前还不能完全代替铁道车辆的实车试验，但它与传统的实车 试验相比，具有节省资金、无危险、易于理解的优点，所以，受到了广泛关注嘲叫”。 虚拟试验不仅可以进行整车性能的分析，还可以进行一些子系统的性能评价。因 此进行铁道车辆舒适性虚拟试验技术的研究具有重要的理论意义和现实意义。 1 4 2 舒适性虚拟试验的研究内容 本研究的目的是在计算机上建立铁道车辆舒适性虚拟试验的场景，将虚拟铁 道车辆模型调入到虚拟试验场中，车辆在给定轨道条件下进行试验时，车辆各个 方向的振动由被测车辆动力学分析模型的仿真数据确定。试验者借助于立体显示 设备，从计算机屏幕上可以感受车辆的立体效果，还可以通过设计的虚拟仪表， 实现被测车辆的舒适性相关数据的可视化。 从而是建立基于桌面的铁道车辆舒适性虚拟试验系统，本文的主要内容如 下： ( 1 ) 在分析和研究了国内外多种铁道车辆舒适性评估标准的基础上，总结 出本文采用的铁道车辆舒适性评估标准。 ( 2 ) 根据系统动力学原理，提取了铁道车辆的动力学原型，并且在 仰a m s r a i l 环境中建立铁道车辆虚拟样机模型，同时考虑多种舒适性影响因素， 定义了相应的车轮模型和轨道不平顺模型。在随机输入激励下，实现铁道车辆振 动模型的时域仿真求解。在此基础上，对铁道车辆多种工况下运行的舒适性进行 7 硕士学位论文第一章绪论 分析评估。 ( 3 ) 利用c r e a t o r 和p r o e n g i n e e r 软件建立包含纹理的虚拟试验场景和铁 道车辆虚拟现实模型。使用v e g a 编程工具，实现对虚拟试验场景和铁道车辆模 型的调用。铁道车辆模型在虚拟试验场中行驶时，能够模拟轮对的转动、摇枕和 轴箱弹簧的振动、转向架构架及摇枕的振动。 ( 4 ) 利用m e a s u r e m e n ts t u d i o 开发工具，建立了铁道车辆舒适性虚拟试验 仪表。通过读取离散后的加速度试验数据，在虚拟仪表中实现了加速度曲线的动 态显示。同时，通过虚拟仪表能精确的显示车辆的运行速度和舒适性状态 ( 5 ) 利用v e g a 提供的双通道功能，配合专业立体显卡和液晶光闸眼睛，实 现试验过程的立体显示，使试验者达到较高的沉浸感。 8 硕士学位论文 第二章铁道车辆舒适性评定 第二章铁道车辆舒适性评定 2 1 铁道车辆舒适性概述 铁道车辆舒适性是一个因人而异的很难定义的概念。广义的讲“舒适性”是 乘坐铁道车辆旅行的人对乘车旅行品质的综合反应评价。“舒适性”受车内的振 动、噪声、温度、湿度、空气清新度、坐席的质感、空间的设计、色彩、照明等 许多因素的影响，甚至还受到人们健康和心理因素的影响。狭义来说“舒适性” 是列车运行产生的振动( 加速度) 对乘坐铁道车辆的人的影响问题，即“振动舒适 性”或“平稳性”。 随着我国铁路干线全面提速，铁道车辆舒适性性能也逐步成为令人关注的问 题。目前对铁道车辆舒适性的评价一般有下面4 个方面： ( 1 ) 车体振动加速度； ( 2 ) 在圆曲线上的未均衡离心加速度； ( 3 ) 未均衡离心加速度在缓和曲线上的变化率： ( 4 ) 侧滚角速度。 2 2 铁道车辆舒适性主要国际、国内标准 国际上有关铁道车辆舒适性的评价方法有几种标准，但一直没有统一的标 准。曾经用过的或目前还在使用的方法有：r e i h e r - m e i s t e r ( 1 9 3 1 ) 、j a c k - l i d ( 1 9 3 1 ) 、h e l b e r g - s p e r l i n g ( 1 9 4 1 ) 和j a n e w a y ( 1 9 4 8 ) 等方法嘲1 嘲。其后，由国际 标准化组织制定了i s o2 6 3 1 ( 1 9 7 4 ) 关于人体振动暴露的评价指针，依此对 铁道车辆的舒适性进行评价，该标准已进行了几次修订。 有关铁道车辆舒适性评价的最新国际、国外标准有欧洲暂行标准e n v1 2 2 9 9 ( 1 9 9 9 ) 和国际标准i s o2 6 3 1 - 4 ( 2 0 0 1 ) 嘲嘲。在日本，只有振动测量方法的标准 j i s e4 0 2 3 ( 1 9 9 0 ) ，没有关于评价方法的标准。表2 - 1 列出了与铁道车辆舒适性 评价相关的5 个标准，并对其各自的特点进行了比较。 目前国内进行铁道车辆舒适性评价主要参照的标准有：g b t 5 5 9 9 8 5 铁道 车辆动力学性能评定和鉴定规范和t b t 2 3 6 0 - 9 3 铁道车辆机车动力学性能试 验鉴定方法及评定标准。本文对铁道车辆进行舒适性评定，主要参照了如下的 标准捌剐： i s 0 2 6 3 国际标准组织标准振动和冲击对人的影响评价准则； 9 硕士学位论文第二章铁道车辆舒适性评定 u i c 5 1 3 欧洲铁路标准铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则； g b t 5 5 9 9 8 5 中国国家标准铁道车辆动力学性能评定和鉴定规范； t b t 2 3 6 0 - 9 3 中国铁路标准铁道车辆机车动力学性能试验鉴定方 法及评定标准。 表2 - 1 铁道车辆舒适性评价的国际，国外标准名称及简介 标准代号 名称备注 i s 02 3 8 1 - 1 原版 ( 1 9 8 5 ) 对全身振动的人体暴露的评价部分：总论评价方法 i s 02 3 6 1 - i 修订版 对全身振动的人体暴露的评价第1 部分： ( 1 9 9 7 ) 总论 评价方法 对全身振动的人体暴露的评价一第4 部分： i s 02 3 8 1 - 4 ( 2 0 0 1 ) 对铁道系统乘客、乘务员振动和旋转振动影响评价方法 的评价 评价方法 e n v1 2 2 9 9 ( 1 9 9 9 ) 适用于铁道乘客的舒适性测量和评价 测量方法 j i s e4 0 2 3 ( 1 9 9 0 )铁道车辆的振动特性测量方法测量方法 2 3 铁道车辆舒适性计算方法和评价等级 1 舒适性指标计算及等级评定( u i c 5 1 3 标准) 综合铁道车辆舒适性指标，按式2 - 1 对舒适性指标进行计算： r ： = 6 ( ) 2 + ( 口鬟) 2 + ( 露) 2 式( 2 1 ) 式中：舯综合铁道车辆舒适性指标； 4 名加速度在某一时间间隔内的加权均方根值，它是一个统计值。 由于铁路车辆的振动不是稳态的，而是波动性的，故口鬟取的是统计值，它 是在某一段时间间隔内的计权均方根值。在计算舒适性时，规程中提供了模拟法、 混合法和数字法三种方法。在本论文中，对于舒适性的计算，使用了a d a m s r a i l 提供的铁道车辆舒适性评估工具箱，如图2 - 1 所示： l o 硕士学位论文第二章铁道车辆舒适性评定 困2 - 1 n 啦r a “舒适性评估工具箱 a d a 螨r a i l 在其舒适性评估工具箱中提供了多种评估和计算方法，本论文 中主要按第一中方法，即u i c 5 1 3 标准进行评估。图2 - 2 为用该标准进行计算时 显示的对话框。 图2 - 2 计算0 指标的对话框 按照上述方法进行计算，其计算流程如图2 - 3 所示： ，、 输入信号 x ，y 、z 方向上的加速度 j l 信号滤波 根据i s o 进行特征滤波 s w * w d j c 寸x 、y 方向的加速度滤波 用w i w b 对z 方向的加速度滤波 i 统计处理 把信号按每5 s - 一段分段对每段信号计算 r m s ，按r m s 分布的9 5 进行计算，获 得等效加速度，输出各个方向的加速度 加权均方根值 图2 - 3 。指标的计算流程 1 l 硕士学位论文第二章铁道车辆舒适性评定 舒适性等级按表2 2 ( u i c s l 3 标准) 进行划分嘲脚1 ： 表2 - 2 舒适性等级划分表( u i c s l3 ) 舒适性等级舒适性指标 评定 l 级 k l 非常舒适 2 级 1 - o ( 2 舒适 3 级2 = 乙“还算舒适 4 级 4 = 二 5 非常不舒适 2 各个方向加速度加权均方根值的计算和等级评定( i s 0 2 6 3 1 标准) ，、! = ( ；e ( ( r ) ) 2 出) 2 式( 2 - 2 ) 式中：4 y o ) 由频率修正曲线修正后的x 方向的加速度瞬时值，m s 2 ； t - 计算采样时间。 y 、z 方向的加速度加权均方根值的计算同样可按公式2 - 2 进行，表2 - 3 划 分了振动大小与舒适性关系的评价等级嘲咖： 表2 - 3 振动大小与舒适性划分表 舒适性等级振动加速度值( m s 2 )评定 1 级 2 极不舒适 2 4 计权曲线 2 4 1 计权曲线的基本概念 上一节讲到综合舒适度指标和各向舒适度指标在计算时要先对所测得的加 速度信号进行加权，这是因为人体对加速度的敏感度随频率及方向( 垂向z 、横 向x 和纵向y ) 而变化。只有将车辆内所测得的加速度和一个有代表性的旅客小 组所给出的振动舒适度平均值结合起来考虑，这样计算出来的舒适度才能更真实 地反映真实情况m