（机械设计及理论专业论文）高速列车多体动力学参数提取与模型转换关键技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 高速列车是典型的复杂机械系统。动力学分析与仿真是研制高速列车的关 键，其影响车辆运行的安全性和舒适度，也关系到列车运行速度是否能提高。动 力学模型的构建是高速列车系统动力学分析与仿真的关键技术。目前，针对复杂 产品建立动力学模型的方法主要是由用户抽象出所研究的对象在动力学分析专 业软件自带的模块中进行构建，或者将设计几何模型通过专业接口或中间格式导 入动力学分析专业软件，然后交互定义多体动力学参数以及运动副等信息。手工 交互构建动力学模型的方法耗时、容易出错。本文针对上述问题，研究了设计几 何模型至多体动力学模型的转换关键技术，并且使用c a a 二次开发技术在 c a t l 系统中进行了相关功能模块的开发，以提高构建多体动力学模型的效率。 第一章首先综述了设计几何模型至多体动力学模型转换涉及的关键技术与 国内外研究现状，包括设计几何模型中进行多体动力学参数的提取、抽象简化模 型的构建、装配约束信息的重用以及定义由弹簧、阻尼等构成的悬挂系统信息。 讨论了上述技术目前存在的问题，给出了课题来源与研究内容，并介绍了本文的 内容安排。 第二章提出了基于属性邻接图的多体动力学参数提取方法，以达到快速获取 多体动力学参数的目的。对于依附于零部件实体的多体动力学参数，通过与预先 设定的模板实体进行相似度比较来获取实体，然后对实体的属性参数进行提取。 对于依附于几何特征的多体动力学参数，预先对模板模型中参数依附的特定几何 特征进行标记，若载入实体与模板模型结构一致则直接获取对应标记几何特征的 位置，然后进一步计算获得参数，提高获取多体力学参数的效率。 第三章研究了面向动力学模型的高速列车实体抽象简化模型构建技术。对高 速列车模型的主要结构进行抽象简化，构建简化模型库，通过选择对应的简化模 型合并成装配体，将设计几何模型的主要结构尺寸参数及位姿映射至简化模型装 配体，保持简化模型与设计几何模型在尺寸及位姿的一致。 第四章研究了基于约束度的多体动力学模型机构信息识别与提取方法。给出 了平移和旋转约束度的运算规则，通过分析c a t i a 系统中各种装配约束及其相 浙江大学硕士学位论文 摘要 对应的几何元素与运动约束度的映射关系，以及运动副与运动约束度及几何元素 的映射关系，实现从装配约束信息到运动副约束信息的转换对由弹簧、阻尼构 成的悬挂系统在动力学模型中的表达进行了定义，定义内容包括弹簧、阻尼的属 性及标志点等，以便在动力学分析中使用。 第五章介绍了高速列车数字化仿真平台中多体动力学接口模块的开发及实 现，使用c a a 二次开发技术在c a t l 系统中进行多体动力学参数和主要结构尺 寸参数的提取、设计模型的简化、简化模型几何信息的获取、提取装配约束信息、 将装配约束信患进行重用转换为运动副信息、定义悬挂系统信息。通过集成以上 数据信息，可以实现动力学模型的快速重建，提高动力学模型构建效率，为后续 的动力学仿真分析提供基础。 第六章总结了本文的研究成果，并对今后的研究工作进行了展望。 关键词：高速列车，多体动力学模型，模型转换，多体动力学参数提取，抽象简 化模型，机构信息 i v 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 el l i 曲- s p e e dt r 咖i sa 咖i c a lc o m p l e xm e c h 撕c ms y s t e m d y n a i i l i c 锄蜥s a n ds i i i l u l a t i o ni s l ek e yo ft | l ed e v e l o p m e n to fh i 曲- s p e e dt m i n i t 碉融c t st h ev e l l i c l e m i l i l i n gs a f e t ya i l dc o m f o r t ，a l l da l s or e l a t e st ot h ei m p r 0 v e m e mo fs p e e d d y n 锄i c m o d e l sc o n s 觚l c t i o ni sak e yt e c l l l l o l o g yf o rd y n 锄i ca n a l y s i s 砒l ds i i i 】【u l a t i o no f l l i g h - s p e e dt r a i ns y s t e m a tp r e s e n t ，t h em a i n m e t h o d st oc o n s 乞兀j c td y n 锄i cm o d e la r e m r o u 曲d y n 锄i ca 1 1 a l y s i sp r o f e s s i o n a ls o 讯v a r e sd e s i 驴t e m p l a t eo r 山o u 曲t l l e c o n v e r s i o nf 如mg e o m e t r i cm o d e lw i t l ls p e c i a l i z e di n t e “a c e so ri n t e ：m l e d i a t ef o m l 鸡 t l l e n i n t e r a c t i v e l y d e f l n e廿l e m u l t i - b o d yd y n 锄i cp a r 咖e t e r s ， k i n e m a t i c p a i r i n f o 蛐a t i o n ，f o r c ei n f o 肌a t i o n ， e t c t h e s em a n u a li n t e r a c t i v em e t h o d s 硼e t i m e - c o n s u m i n ga n de r r o r - p r o n e c o m b i n i n g 、析t ht h ep r 甸e c tt m sp a p e rs t u d i e st h e k e yt e c l l l l o l o g i e so fc o n v e r s i o nb e t w e e nd e s i g ng e o m e t r i cm o d e la n dm u l t i - b o d y d y n 锄i cm o d e l ，a 1 1 dd e v e l o p sr e l a t e dm n c t i o nm o d u l e si nt i l ec a t i as y s t e mw i t h c a a s e c o n d a r yd e v e l o p m e mt oi m p r o v et h ee 伍c i e n c yo fc o n s t m c t i n gt l l em u l t i - b o d y d y n 锄i cm o d e l t h ef i r s tc h a p t e rs u l n m 撕z e st l l e k e yt e c l l n o l o g i e so nt h er e s e a r c ho ft l l e c o n v e r s i o nb e t 、e e nd e s i g ng e o m e t r i cm o d e la i l dt h ed y n 锄i cm o d e l 趾dr e v i e w st l l e r e s e a r c hs t a t u s 劬md o m e s t i ca i l da b r o a d t h ek e yt e c l i l o l o g i e si n v o l v et oo b t a i n m u l t i - b o d yd y n a m i cp a r 锄e t e r s f 如mg e o m e t r i cm o d e l ，t oc o n s 觚l c ta b s t r a c t s i m p l i f i e dm o d e la l l dt or e u s e 髂s e m b l yc o n s 仃a i l l t si n f o m a t i o n f o r 王l i 曲一s p e e dt r a i l l ， i ti sa l s or e l a t e dt ot h es u s p e n s i o ns y s t e m sd e f i n i t i o ni nt h ed y n 锄i cm o d e l t h e c h a p t e ra l s od i s c u s s e st h ee x i s t i n gp r o b l e m sa b o mt l l et e c h n o l o g i e s ，百v e st o p i cs o u r c e 锄dt h er e s e a r c hc o n t e m ，锄dd e s c r i b e st h e 猢g e m e n to ft h ec o n t e n t so ft h i sa r r t i c l e t h es e c o n dc h 印t e ri sp u tf o r v 阳r dam e t l l o dt oo b t a i nm u l t i b o d yd y n 锄i c s p a r a m e t e r sb a l s e do nt l l ea 嘶b u t ea 由a c 朗c yg r 叩h ，i i lo r d e rt oa c l l i e v e 也ep u r p o s eo f d y n 锄i cp a r a m e t e r sq u i c k l y f o rt l l ep a 瑚n e t e r sa t t a c h e dt ot l l ee n t i 饥s e a r c ht h e l l i g h e rs i m i l a rm o d e l 诵t ht e m p l a t em o d e lt og a i nt 1 1 ep a r a m e t e r s f o rt h ep a r 锄e t e r s v 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a t t a c h e dt ot l l eg e o m “cf e a n j r e s ，l o o kf o rt h eg e o m e 仃i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft l l em a f i 【 l u st h r o u 曲如r t h e rc a l c u l a t i o nt og e tp a r 锄e t e r s 1 h e l i r dc h a p t e r r c s e a r c h e s 龇c o n 咖l c t i o no fl l i g l l s p e e d 佩ns 硫p l i f i e dm o d e l o fa _ b s t l 铆c te n t i 锣f o rt h ed y n 锄i cm o d e l a c c o r d i n gt 0t l l e 蛐m c t u r em a k e 1 e d e c o n l p o s i t i o no f1 1 i 曲s 】p e e d 倾i n ，t 0s i m p l 毋e a c ho n eo ft l l em a i n 咖c t u r c c o m b i n et l l es i m p l i f i e dm o d e l i n t oa s s e m b l ym o d e l ，a i l dm a pt h es i z e sa n dp o s e so f d e s i g i lg c o m e t r i cm o d e l sm a i nc o m p o n e n t st ot h es i m p l m e d 舔s e m b l ym o d e l t h ef o u n l lc h a p t e rp r e s e n t st l l er e u s em e t l l o do fi n e c h 锄i c a lp r o d u c t s 嬲s e m b l y m o d e l sc o l l s t r a i n _ c si n f o 锄a t i o nf o rt h ed y n a m i c sa n a l y s i s 1 1 啪u 曲t h e 孤a l y s i so f 嬲s e m b l yi n f o 肌a t i o n a r l dt l l e c o m s p o n d i n gg e o m e t r i ce l e m e n t s 谢t l lc o n s t r a i n t d e g r e e s ，a c c o r d i n gt ot h em a p p i n gr e l a t i o n s m po fk i n e m a t i cp a i r 锄dc o n s t r a i md e g r e e a i l d g e o m e t r i c a le l e m e n t ， r e a l i z et h ec o n v e r s i o n行o ma s s e m b l yc o n s t m i n t st o k i n e m a t i cp a i ri n f o n i l a t i o n f o rt l l es u s p e n s i o ns y s t e m ，t 0i n t e r a c t i v ed e f i n e 1 e m a r k e r sa r l dt h ep r o p e r t i e so ft l l es p r i n g sa n dd a m p e r s t h ef i 甜1c h a p t e rp r e s e n t st h ed e v e i o p m e n ta 1 1 dr e a l i z a t i o no ft 1 1 eh i g h s p e e d 把a i n d i g i t a ls i m u l a t i o np l a t f o mm u l t i - b o d yd y n 锄i c si n t e r f a c e sr e l a t e d c t i o nm o d u l e s u s i n gt l l ec a a c o n d a r ) ，d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yi n c a t i as y s t e mt 0o b t a j n m u l t i - b o d yd y n 锄i c sp a r 锄e t e r s ，t h ek e yg e o m e t l 了s i z e sa n ds i m p l i 母m ed e s i g n g e o m e t r i cm o d e l ，妒tt l l ea s s e m b l yc o n s t r a i m si i l f 0 肌a t i o n ，c o n v e r tt l l ea s s e m b l y c o n s 仃a i n t st 0l 【i n e m a t i cp a i ri n f o 姗a t i o n ，d e f i n et l l es u s p e n s i o ns y s t e mi 珂0 肌a t i o n t l l r o u g l l t h e i n t e g r a t e dd a t a 枇v ei n f o m a t i o n ，m ed ) ，i l 锄i c m o d e lo fr a p i d r e c o n s m l c t i o nc a nb er e a l i z e d ，t 0p r o v i d e 让l ef o u n d a t i o nf o rs u b s e q u e n td y n a m i c s i m u l a t i o na i l a l y s i s t h es i x n lc h a p t e rs l l l 】 u l l 撕z e sa c h i e v e m e n t so ft l l i sd i s s e r t a t i o n ，a i l dd i s c u s s e st l l e a r e aw h i c hn e e d st ob ei m p r o v e d 锄d 如n h e rr e s e a r c h 研m 研体：i l i 曲- s p e e d 俩n ，m u l t i b o d yd y i l a m i cm o d e l ，m o d e lc o n v e r s i o n ，d y n 眦i c p a r a m e t e r s e x t r a c t i o n ，s i m p l i f i e dm o d e l ，m e c h a n i s mi 耐0 m a t i o n 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 本文的研究工作是在刘振字教授的悉心指导下完成的，从论文的选题到项目 课题研究工作的开展直至论文的最后完成，始终得到刘老师有益的指导和启发。 刘老师严谨的治学态度、循循善诱的指导方式、执著的态度和忘我的工作精神使 我在研究生学习生活阶段受益匪浅；刘老师在日常生活中善于启发学生学习看待 问题、处理问题的思路，使学生独立处理问题的能力不断加强。两年多来，刘老 师在学习、生活多方面给予我许多关怀与支持，不仅教授我知识，还锻炼了我独 立处理问题的能力，在此论文完成之际，谨致诚挚的谢意。 衷心感谢程锦副教授对我的研究工作所提出的宝贵建议，与程老师的交流和 讨论给了我深深的启发，使本文进展更为顺利。 衷心感谢谭建荣院士、张树有教授、陆国栋教授、施岳定教授、冯毅雄副教 授、伊国栋副教授、费少梅副教授、董进老师给予的帮助，祝他们的科研教学工 作更进一步! 感谢卜王辉博士后给予的帮助与鼓励，祝师兄在今后的工作顺利! 非常感谢实验室项目组的朋友李大平、郭云东、刘泽峰、尧科、周思杭、裘 迪、彭翔、易兵、周鑫、程丰备、李彦青、刘伟、刘建峰、由成林、潘超在我研 究生学习期间给予的帮助与鼓励，感谢我的室友吴媛媛、杜宇、刘晓萌、徐晓、 闻春燕、吴边华，感谢我的同学赵鑫、金易笔、郑贵荣、刘继轩、叶友本、豆瑞 发、傅军亮、朱广字、鞠永兵、郭传龙、张庆，和你们一起走过的研究生生活， 将是难忘的记忆。 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 【本章摘要】本章综述了设计几何模型至多体动力学模型转换的关键技术与国内 外研究现状，模型转换涉及的关键技术包括在设计几何模型中进行多体动力学参 数的提取、面向动力学仿真的抽象简化模型构建、装配约束信息的重用以及定义 由弹簧、阻尼等构成的悬挂系统信息。讨论了上述技术目前存在的问题，给出了 课题来源与研究内容，并介绍了本文的内容安排。 1 1 引言 高速列车是由机械、电气、主动控制和驱动系统( 动力分散式动车) 组成的典 型的复杂产品，主体为机械系统n ，”。一般来说，列车的设计流程为：方案设计、 技术设计、施工设计，样机制造，样机试验和改进，最后定型为产品。传统的产 品开发往往加工出实物产品进行试验，若不能满足要求，则修改设计，重新加工 实物产品进行试验，直至生产出满足所有要求的产品。显而易见，这种方法不仅 开发周期长、成本高，而且使得根据产品性能进行产品优化几乎不可能。随着科 技的快速发展，使用数字化平台开发产品逐渐取代了传统的开发过程d 。数字化 平台将物理样机的设计与试验利用虚拟的模型来仿真，避免了物理样机的制造， 有利于缩短产品开发周期和降低产品开发成本。对于列车产品，其研制成功与否 取决于性能的好坏，这些性能包括：动力学性能、运行安全性、气动性能、车内 暖通、强度寿命及可靠性等。7 1 。 动力学分析与仿真是研制高速列车的关键，其影响车辆运行的安全性和舒适 度，也关系到列车运行速度是否能提高。通过动力学分析与仿真，在产品草图完 成之前，就可以对新的列车产品进行稳定性、平稳性以及通过曲线能力性能测试， 节省实物测试的巨额成本。通过建立列车的动力学分析模型，研究其动力学性能， 开发出高质量的产品，是列车研制的主要步骤之一驺刊。 动力学模型的构建是高速列车系统动力学的关键技术。多体动力学参数和零 部件之间的约束是影响高速列车动力学特性的主要因素，对多体动力学参数和约 束的定义是动力学模型构建的关键步骤。目前，动力学模型的构建主要通过在动 】 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 力学分析专业软件中使用软件自带的模块进行建模，在针对复杂产品建立动力学 模型时，需要从详细的设计几何模型信息中抽象出所研究的对象进行建模，之后 再应用动力学分析软件通过交互式图形环境提供的约束库、力库等定义其它数 据；或者将设计几何模型通过专业接口或中间格式导入动力学分析专业软件，但 是由于设计几何模型一般只有几何信息以及零部件之间的装配约束关系，没有定 义多体动力学参数、运动副( 铰) 信息、力元信息等，因此导致模型的动力学信 息不完整，需要重新交互定义多体动力学参数以及运动副等信息。以上建立动力 学模型的交互式方法耗时、容易出错，降低了产品的研制效率( 图1 1 ) 研究设 计几何模型至多体动力学模型的转换技术将实现快速构建动力学模型的目的，提 高产品的设计效率。 多体动力学软件直 接建模，交互定义 属性，铰、力元等 c a d 模型以中间格 式导入动力学软 件，交互定义属 性、铰、力元等 c a d 软件与多体动 力学软件的专用接 口，交互定义属 性、铰、力元等 1 2 研究现状分析 图1 1 传统的多体动力学模型构建 高速列车设计几何模型至多体动力学模型的转换过程包括建立设计几何模 型、提取多体动力学参数、构建简化模型、获取简化模型几何信息、提取装配约 束关系、实现装配约束至运动副的映射、定义悬挂系统信息、重建多体动力学模 型等关键步骤。 设计几何模型与多体动力学模型的转换技术主要包括三个方面的内容：多体 动力学参数的提取；抽象简化模型的构建；机构信息的获取。多体动力学参数的 提取是指实体模型相关物理属性以及几何尺寸信息的提取；抽象简化模型的构建 是对设计几何模型几何信息的重用，从而构建面向动力学仿真的简化模型；机构 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 信息的获取是通过c a d 模型中的装配约束至运动副的转换来获取运动副信息以 及构建相关的弹簧约束、阻尼约束等。 1 2 1设计几何模型中多体动力学参数的提取 对于多体动力学分析来说，有了产品的几何信息后，并不能立即进行动力学 的分析，还需要多体动力学参数、运动副的定义以及力元等其它必需的信息，这 时候多体动力学参数和运动副等必需的动力学属性的人工交互输入工作量很大 多体动力学参数包括零部件的质量、转动惯量和重心以及其它与研究对象动力学 分析相关的几何尺寸参数，如转向架中心距、车体重心距轨面高、车体质量、车 体侧滚转动惯量、一系悬挂横向跨距、一系簧上作用点距轨面高。多体动力学参 数与设计几何模型的属性及几何信息密切相关，影响产品的动力学性能分析。 西南交通大学在这一方面研究较多，丁国富、王颞等n h 7 1 提出一种直接从产 品虚拟原型中的零件设计模型和装配模型获取多体系统物理性能属性和空间拓 扑结构的理论和方法，将设计模型按照多体系统空间拓扑结构描述，直接映射为 抽象的可视模型，并以此向求解模型过渡，从而最终获得对多体系统运动学和动 力学的求解，同时，提出设计分析模型对多体系统动力学分析应用的扩展模型 e a m ，e a m 可显示表达设计模型与分析模型的关联，提高设计模型与分析模型 的统一性，建立设计模型与分析模型的约束表达形式。丁国引n 1 用c a x a 作为 计算机辅助设计建模和模型属性提取工具，着重研究了机械多体系统模型中刚 体、约束、力元等组成部分属性的提取，实现了样机模型数据传递的无缝和一体 化，解决各种性能分析工具中重复建模的问题。闫开印“9 1 在c a d 设计软件 s o l i d w b d ( s 系统中，通过二次开发应用程序对组件对象模型及其属性进行操作， 获取零部件的属性数据。 曹晶乜叫在c a d 与c a e 的数据交换中对于s f d 模型中已定义的属性信息和 测厚信息以数据库方式来存储、管理这些数据，并研究将已在数据库中集中存储 的结构件属性信息和测厚信息批量导入到动力学分析的属性定义中。 曹俊生n 对飞机结构虚拟装配信息模型进行了深入研究，实现了提取c a n a 中飞机结构三维数字模型所包含的信息，如产品名称、数量、类型、存储路径、 材料、质量、重心、转动惯量、体积、密度、产品的层次结构、参数约束关系、 3 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 运动机构等，建立数据库对模型数据进行统一管理。 许红静n 2 1 从部件级、零件级、参数级三个层次展开复杂产品的设计信息识别， 记录部件间、部件内部几何，载荷、材料等信息的关联关系，完整提取出各零部 件的主参数，归纳各载荷的大小、方向及其所作用的零部件，将材料性能参数与 零件一一对应 1 2 2 面向动力学仿真的抽象简化模型构建 对于复杂产品，若将设计几何模型通过中间格式或专用接口的转换来用于动 力学模型，则数据量较大，并且动力学信息不完整，不适合直接用于产品动力学 性能的分析与仿真。对于任何复杂的机械系统进行动力学分析和计算时，首要的 任务就是将这个系统进行合理的简化，抽象出所需要的研究对象构建简化模型， 简化的结构模型应该体现原结构的主要特性。为了快速构建合理且具有真实感的 动力学分析仿真模型，从设计几何模型抽象出所需要研究的零部件目标的特定信 息和尽可能的接近产品原貌的简化模型，近似模型要求实体特征尽量简单，从而 缩短模型预处理、分析求解的时间。 现有的大部分动力学分析软件都有几何建模的功能，例如国际上铁路领域流 行的主要车辆动力学分析软件s i m p a c k 、a d a m s 爪a i l 、v a m p i i 也、n u c a r s 等，都可以进行零部件几何外形的建模【23 2 4 1 ，例如在a d a m s r a i l 软件模块中， 其提供车体模板、构架模板、车轮模板、悬挂模板等，选择合适的模板，交互输 入几何和物理属性参数进行建模，但是它们通常只能处理简单的模型，对复杂程 度较高的产品需要抽象出其研究对象的简化模型，在软件中重新建模以便进行分 析乜5 2 盯，脱离了产品的设计几何模型。 在动力学分析软件中构建的模型往往没有复杂的特征，可视化效果较差。为 了处理复杂的产品模型，许多专业动力学分析软件建立起与c a d 系统之间的专 用接口，从而建立无缝链接生成动力学模型，这些开放性的接口为复杂模型的分 析提供了便利。软件通过专用接口将c a d 模型导入动力学分析软件，可以充分 利用c a d 软件高效建模的优点，实现设计几何模型与多体动力学模型之间的快 速转换。文献n 9 1 分析了p r 0 e 、a d a m s 和a n s y s 三种软件的优缺点，讨论三 者的联合使用，先在p r 0 e 中实现三维特征建模，利用m e c h a n i s m p r o 接口可 五 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 以不用退出其操作环境直接在p r o e 中精确地定义刚体、运动副和载荷，然后将 整个模型传送给a d a m s 进行动力学分析，将各零件的p r 0 e 模型传入a n s y s 进行有限元分析。姚晓光、杨斌久d 仉3 1 1 都对p r o e 模型通过专用接口 m e c h a n i s m p r o 导入a d a m s 中进行优化设计分析进行了研究试验，在 a d a m s 中得到改进机构模型的方法，通过m e c m i s m p r o 接口实现p r o e 与 a d a m s 联合仿真，提高了产品设计效率。张庆功d 2 1 在c a x a 实体设计中完成 3 p 1 r 并联机构建模之后，利用a d a m s e x c h a i l g e 专用模块将c a x a 环境下的 该机构三维实体模型以p a r a s o l i d 的传输标准导入a d a m s 中进行运动仿真，运 用a d a m s 研究新型3 p 1 r 并联机构的运动规律。 除了专用接口，s t p 、i g e s 、s t l 、r u 认s o l i d 等通用中间文件格式也常 用于在不同c a d c a e 系统之间进行数据转换，常用的c a x 软件一般都设有这 些通用格式。用户通过将c a d 模型存储为通用格式，再导入可识别此通用格式 的动力学分析软件中，减少在动力学分析软件中重建零部件几何外形的要求，节确 省建模时间，增强用户观察仿真模型的能力。k h u 提出基于i g e s 的c a d 装 配数据信息交换及重用，根据装配关系构建实体间的拓扑关系，根据自定义的相 关算法实现异构c a d 系统数据的准确交换，解决数据丢失的问题。p j m a o n 帕 讨论了将c a t i a 的模型数据导出至s o l i d w b r k s ，利用s o l i d w 6 r k s 的输出通用格 式转换成能够被a d a m s m e w 读取的中间数据格式，较好地保留了数据的完整 j 性。文献d 5 制综述了常用c a d c a e 软件之间数据格式与接口问题，详细介绍了 常用通用格式的数据结构组成，并且讨论了在转换工作需要注意的一些问题，分 析了怎样更精确地交换模型数据以达到实际需求。常萌们详细叙述了s t e p 文件 零件信息的提取过程，在转换过程中加入特征识别模块，c a d 零件的s t e p 格 式文件经过处理得到基于特征的零件信息模型，实现软件之间信息共享与转换， 可以使不同系统彼此沟通、共享数据，极大提高工作效率和资源利用率。 利用专用接口或通用中间文件格式进行模型数据转换是比较常用的手段，但 若模型较复杂或模型数据文件过大，则容易造成数据丢失h ，致使转换生成的模 型信息不全，数据量大造成计算缓慢。李艳杰h 2 1 对仿人机器人的动力学分析进行 了研究，在不考虑各关节间耦合运动的情况下，对整体动力学模型进行适当简化， 得到了腰部机构的动力学模型。简化后的动力学模型既反映了机器人车体、腰部 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 及双臂的动力学关系，又大大地减小了计算量，易于实现基于动力学的控制算法。 j h a l l s “朝实现了对简化组件的重用，建立了基于功能分类的层次化组件库，为简 化仿真组件的选择和组合过程，建立了仿真组件的元模型赵瑛峰帕提出的交互 式自适应模型简化与转换技术解决了从c a d 模型到c a e 模型的自动简化与转 换过程，详细阐述了该方法涉及到的一些主要技术，包括c a d 模型自动简化技 术、模型转换技术等。 1 2 3多体动力学模型机构信息的提取 在多体动力学分析中产品的机构信息是必不可少的。目前对动力学模型运动 副、力元的定义往往是在动力学分析软件中交互完成的，造成动力学模型的构建 效率较低。现今的c a d 系统大部分都提供了用以确定零部件方位的装配约束， 但是缺乏零部件之间的机构信息。运动副、力元信息在动力学模型中是重要的组 成部分，对于复杂产品来说，交互定义机构信息的工作量很大实现设计几何模 型中机构信息的识别与提取将提高多体动力学模型的构建效率。零部件之间的装 配约束与机构运动副对产品的运动具有相同的约束效果，对设计几何模型的装配 约束关系进行重用，考虑从装配约束向运动副的转换是实现运动副识别的有效方 法。许多学者对此做了大量研究。 v n r 萄a i l 通过获取在设计阶段已存在的零部件装配配合关系，获得其类 型、位置、配合元素，继而推断出铰信息和零部件自由度信息，以便下游的仿真 分析阶段使用数据。c a c o s m e 鲥阐述了通过开发c a d 软件接口来输出刚体信 息自由度信息和配合关系信息，继而重建动力学模型，并且在车辆的动力学模 型建立中得到了应用。 w 1 l i t i l e y 7 1 利用k o i 止a r 算法通过研究两个零件之间相对瞬时可动方向以及 约束分析( 是否存在过约束或欠约束现象) 的方法来推理所对应的运动副。j i ( i m h 盯提出根据轴线信息来识别装配约束，这个方法只能针对某些特定的规则模 型。r s i n h a h 叼研究从装配模型中提取零件运动方向。w s u i l b 们提出基于约束转 换的异构c a d 系统之间数据交换，从而保留设计者的设计意图。 s h 鼬m 砧通过分析装配模型的零部件之间的装配关系来建立适用于动力 学分析的模型，开发了从装配模型系统中直接提取用于动力学分析的数据系统， 6 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 减少了创建模型、定义铰等步骤，从而快速简便地生成动力学模型。 c y u e 巧2 1 开发了针对c a d 装配实体转换至v i m d s 中进行多体动力学仿真 的系统，将c a d 模型中的约束转换为运动副信息，装配模型以x m l 或m d l 格式导入m d s m n o 衄a i l d 又5 町提出邻近体素检测识别法，建立体素对约束管理器，通过零 件邻近体素检测，实现运动约束的识别。 s a k u r t b 鲫提出基于约束与自由度的等价求解方法，通过对零部件位姿的 调整，实现零部件的虚拟装配。 刘振宇b 们提出了基于运动自由度分析的物理约束生成方法，从运动学与动力 学的角度来考察虚拟装配过程中零件的运动，将装配几何约束自动映射为运动副 约束。 许文良b 7 1 通过对零部件c a d 模型定位关系的分析，提出运动约束度及其运 算规则，从零部件c a d 模型的定位信息中识别运动约束信息，并分别进行零部谚 件平动约束度和转动约束度的归并运算，求取模型的运动约束信息，实现零部件 运动约束的自动添加，并且在a d a m s 平台上开发了运动约束加载模块，文中 提出的运动约束度概念也被北京理工大学的张志贤b 钉用于虚拟装配环境下运动 副的自动获取。 李明浩b 9 1 通过提取装配特征，利用旋量理论来计算零件的各个面一面接触的 ， 螺旋后，用k o n k a r 算法来生成运动副的数学模型。 王政拍们研究了从c a d 数据模型中提取信息建立基于约束的交互v e 体系， 但是在建立行为模型时，由数据模型交互定义约束具有较大的工作量。张宁宁 提出基于联接件( 如螺纹联接件、销、键、花键等) 的运动单元自动识别方法， 建立了由零件一运动单元一运动副约束组成的层次递归结构，通过交互与运动单元 的层次递归来实现运动约束的建立。 程志红哺朝提出在基于图论的机构拓扑表达的基础上，通过建立机构运动尺度 信息、运动单元的物理特性信息以及交互建立驱动信息来建立面向运动学动力学 求解的完整信息的产品模型。 傅云、林小夏、吴宝贵陆3 5 1 都对异构系统之问的信息集成与转化，实现产品 设计与仿真分析信息的共享和重用进行了研究，实施面向对象方法以及集成和接 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 口等技术保证多学科视图模型多层次的实现，形成全域产品信息模型。 在列车动力学模型中，由弹簧约束、阻尼约束构成的悬挂系统作为一种特殊 的约束存在于设计几何模型中通常将悬挂系统质量分配到相应的部件中，将各 种弹簧和阻尼减振器处理为无质量的弹簧一阻尼系统对于弹簧，只考虑弹簧的 变形量，不涉及其振动特性比如其自身的振动速度和加速度等。对于阻尼减振器， 只考虑阻尼器两端速度的变化量，不涉及其它振动特性比如其自身的振动速度和 加速度等。在高速列车动力学模型中，对于一系弹簧、空气簧、阻尼减振器、连 杆机械，这些零部件的特性模型化为弹簧与阻尼减振器。空气簧除了有弹性作用 外，还有衰减的作用，视为弹簧和阻尼减振器的并联系统；在轮对与转向架之间 的连接中，上下为一系弹簧的作用，前后左右被弹性元件约束。这些动态特性在 动力学模型中可以考虑为线性的啷西南交通大学在自主开发的车辆动力学仿真 软件中，对基于c 成的机械多体系统动力学参数模型进行了研究哺6 1 ，对悬挂 系统这些与运动无关的约束的物理关系进行了描述，如纵向刚度、横向刚度、垂 向刚度、阻尼、作用标志点等。 1 3 课题来源与研究意义 本文课题研究来源于“十一五”国家科技支撑计划中国高速列车关键技术研 究及装备研究共性基础技术的子课题高速列车数字化仿真平台接口技术研究。 结合课题项目需求，本文的研究目标是通过c a d 系统二次开发，建立多体 动力学模型的接口，实现c a d 设计平台中的设计几何模型至动力学模型的转换。 具体工作包括：在c a t i a 系统中对设计几何模型提取多体动力学参数以及构建 抽象简化模型；提取设计几何模型装配层次关系与装配约束信息；定义悬挂系统 信息；对高速列车实体几何信息与装配约束进行重用，实现高速列车设计几何模 型与动力学模型的快速转换，尽可能减少动力学建模的交互工作量。 对高速列车数字化仿真平台接口技术进行研究，实现设计几何模型至动力学 模型的快速转换，可以缩短动力学模型构建的前处理时间，快速构建高速列车动 力学模型进行动力学分析与仿真： ( 1 ) 高速列车的多体动力学参数众多，一一采用人工交互的模式来提取多体 动力学参数的工作量较大。多体动力学参数一般与零部件实体或者几何特征相 8 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 关，采用基于属性邻接图的多体动力学参数提取方法，可以达到快速获取动力学 参数的目的。对于依附于零部件实体的参数，通过与预先设定的模板实体进行相 似度比较来获取实体，然后对实体的属性参数进行提取；对于依附于几何特征的 多体动力学参数，预先对模板模型中参数依附的特定几何特征进行标记，若载入 实体与模板模型结构一致则获取对应标记面的位置，然后进一步计算获得参数 ( 2 ) 根据悬挂系统对高速列车模型进行分解，针对所需要的研究对象进行抽 象简化，提取设计几何模型的主要结构几何参数及零部件位姿，构建简化模型库， 利用模型库可以实现模型的重用来生成简化模型装配体，将主要结构尺寸及位姿 映射至简化模型装配体，保持简化模型装配体与原设计模型在尺寸及位姿的一 致，减少重建零部件几何外形的要求，节省建模时间。 ( 3 ) 提取设计几何模型中施加的装配约束信息，通过装配约束信息与约束度 的映射关系以及约束度的运算准则获得零部件的约束度，根据约束度与运动副的 对应关系，实现运动副的自动识别，减少动力学模型前处理时间，为设计几何模 型至动力学模型的快速转换、实现动力学模型仿真提供必要的基础信息。 ( 4 ) 针对高速列车的悬挂系统结构，创建了包含各种类型的约束库，定义标 志点来表示弹簧、阻尼在所关联刚体上的作用点，对弹簧、阻尼减振器的物理性 质参数建立了交互输入接口，以快速定义动力学模型中的一系悬挂与二系悬挂。 1 4 研究内容和组织结构 结合课题的具体需求，本文对设计几何模型至多体动力学模型的转换技术进 行了研究，研究内容主要包括： ( 1 ) 基于属性邻接图的多体动力学参数提取 通过对高速列车多体动力学参数进行分析，建立其与设计几何模型的对应关 系。多体动力学参数依附于零部件实体或关键几何特征，识别出零部件实体或关 键几何特征可以快速获取相关的多体动力学参数。对于依附于零部件实体的动力 学参数，通过与预先设定的模板实体进行相似度比较来获取实体，然后对实体的 属性参数进行提取。对于依附于几何特征的多体动力学参数，预先对模板模型中 参数依附的特定几何特征进行标记，若载入实体与模板模型结构一致则获取对应 标记面的位置，然后进一步计算获得动力学参数。 q 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 2 ) 面向动力学模型的高速列车实体抽象简化模型构建 高速列车的设计几何模型过于复杂不适合直接用于动力学模型，需要抽象出 合理的简化模型进行仿真分析根据悬挂系统对高速列车的结构模型进行分解， 提取设计几何模型的主要结构几何参数及位姿矩阵。针对所需要的研究对象建立 简化模型库，简化的结构模型需要体现原结构的主要特性利用模型库可以实现 模型的重用来生成简化模型装配体，将主体结构的结构几何参数与位姿矩阵映射 至生成的简化模型装配体中，节省构建模型的时间。 ( 3 ) 基于约束度的多体动力学模型机构信息识别与提取 设计实体模型中的装配约束信息限制了零部件的运动空间，即对零部件的 运动有了一定范围的约束，使用约束度表征装配零部件运动的约束程度，通过分 析装配约束的类型、相关联的装配约束元素，建立装配约束信息与约束度的对应 关系。建立约束度与运动副之间的映射关系，通过零部件约束度的运算识别运动 副信息，为设计几何模型至多体动力学模型的快速转换提供必要的基础信息此 外，悬挂系统作为一种特殊的约束存在于设计几何模型中。构建弹簧、阻尼约束 库，通过对设计几何模型中悬挂系统的信息( 如关联刚度、标志点位置) 进行提 取，对弹簧、阻尼减振器的物理性质参数建立交互输入接口，定义悬挂系统信息。 ( 4 ) 高速列车数字化仿真平台中多体动力学接口模块开发 开发了基于c a t i a 的高速列车数字化仿真平台的多体动力学接口模块，使 用c a a 二次开发技术在c a t 认系统中获得设计几何模型的相关数据，包括多体 动力学参数、装配层次关系信息、主要结构几何尺寸、抽象简化模型几何信息、 装配约束关系、悬挂系统信息。通过集成以上数据信息，可以实现动力学模型的 快速重建，提高动力学模型建模效率，为后续的动力学仿真分析