（车辆工程专业论文）铰接式轻轨列车多体动力学模型的研究.pdf

摘鼎 摘要 城市低地板面轻轨列车在国内萨处于前期发展阶段，在大连市和长春市都已 丌通河期低地板蕊列车运行线路，但也暴露出较多的问题。列于轻轨车辆动力学 的研究的手段有很多种，但原先在多体铰接机构的建模方面没有相应的车体和铰 的模块，因此在这方丽的应用受到限制，最新的s i m m e c h a n i c s 提供的多体铰接 模块，综合运用s i m m e c h a n i c s 和s i f i t u l i n k 的原有模型，可以建立精度高、计算 效率高的列车仿真模型。由于这一建模功能推出不久，在列车动力学模型方面国 内外未见有公丌论文发表，在技术上有较高的难度，因此若能应用此功能研制出 有效的计算模型，在车辆动力学理论的研究上具有积极的学术意义，对 m a t l a b s i m u l i n k 在列车多体带铰系统建模方面也是一种新的尝试。本文以铰接 式低地板面轻轨列车为研究对象，建立基于动态模拟软件s i m m e c h a n i c s 的垂向 和横向动力学模型，分别对列车的运 亍平稳性和越线通过性能进行了研究。 文中首先对新推出的动态模拟软件s i m m e c h a n i c s 晕的模块应用情况进行了 分析介绍，分别建立了铰接式轻轨车的垂向和横向动力学模型，并对模型进行了 校验。 运用基于s i m m e c h a n i c s 所建立的列车动力学模型，对三节铰接式轻轨列车 垂向及横向运行平稳性进行了研究，并对列车的二系悬挂阻尼参数进行了优化设 计。 最后，本文还剥低地板面轻轨列车曲线通过性能进行分析，通过这些仿真计 算结果，在一定程度上也反映了模型的正确性。 本文创新地利用s i m m e c h a n i c s 建立了铰接式轻轨列车的垂向和横向动力学 模型，基本上能满足用来对列车的动力学性能进行分析研究。 关键词：轻轨车辆，动态机械模拟软件，铰接模块，运行平稳性。动力学性能 a b s t r a c t a b s t r a c t t h el o wf l o o rl i g h tr a i lv e h i c l ei so na ne a r l yd e v e l o p i n gs t a g ei nc h i n a w h i c h h a sb e e np u ti n t os e r v i c ei nd a l i a na n dc h a n g c h u n c i t y i n e v i t a b l eal o to fp r o b l e m s h a sb e e ne n c o u n t e d t h e r ea r em a n ym e t h o d st om o d e l i n gf o rd y n a m i c so fl i g h tr a i l t r a i n ，f o re x a m p l ed i a g r a m - b l o c km e t h o db ys l m u l i n ke a r l yv e r s i o n 。h o w e v e rt h e r e i sn o tar e a d y f o r - u s em o d u l a rf o ra r t i c u l a t e dc a r b o d i e s ，s ot h ea p p l i c a t i o no f s i m u l i n ki nt h i sa s p e c ti sl i m i t e d t h en e wv e r s i o nw i t hs i m m e c h a n i c ss u p p o r t s t h ea r t i c u l a t e dm o d u l e ，t h e o r e t i c a l l yw ec a nb u i l dh i g hp r e c i s ea n de f f i c i e n tt r a i n s i m u l a t i o nm o d e l ，h o w e v e ri ti sn o ta l w a y se a s yt oe m p l o yt h i sm o d e l i n gf u n c t i o nf o r t h ea r t i c u l a t e dt r a i n ，r e s u l t i n gw i t ha b s e n c eo ft h et r a i nd y n a m i c sm o d e l sw i t ht h e m e t h o dw o r l dw i d e l y t h u si fw ec a nf i n da w a yt od e v e l o pt h ee f f e c t i v ec a l c u l a t i o n m o d e lw i t ht h i sf o n c t i o n ，i tm u s tb eag r e a tc o n t r i b u t i o no nt h em o d e l i n go ft r a i n d y n a m i c s i nt h i sp a p e r ；b a s e do ns l m u l i n k s i m m e c h a n i c sa t t t h o rb u i l tas e r i e so f v e r t i c a la n dl a t e r a ld y n a m i cm o d e l so ft h ea r t i c u l a t e dl o wf l o o rl r va n dp r e d i c a t e d t h er i d eq u a l i t ya n dt h ec u r v i n gp e r f o m a a n c eo f t h el r vw i t ht h em o d e l s t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no fm o d e l si nt h es i m m e c h a n i c s s o f t w a r e a n dt h ev e r t i c a la n dl a t e r a ld y n a m i cm o d e l so ft h ea r t i c u l a t e dl i g h tr a i l v e h i c l e sw e r eb u i l ta n dc h e c k e d t h er i d eq u a l i t yo fa r t i c u l a t e dl i g h tr a i lv e h i c l ei sc a l c u l a t e dw i t ht h ev e r t i c a la n d l a t e r a ld y n a m i cn u m e r i c a lm o d e l sc o m p l e t e l yb a s e do ns i m m e c h a n i c s t h ei n f l u e n c e s o fb o g i es u s p e n s i o np a r a m e t e r sa r ea l s ob e e ni n v e s t i g a t e d f i n a l l y ，t h ea u t h o ra n a l y s e st h ep e r f o r m a n c e so ft i l et r a i n sp a s s i n gt h r o u g hc u r v e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e la n dt h es o f t w a r eh a ss u f f i c i e n t a c c n r a c va n d e f f i c i e n c yf o rt h ep u r p o s eo ft h es i m u l a t i o n i nt h i sp a p e ra u t h o ri n n o v a t i v e l yb u i l tt h ev e r t i c a la n dt h el a t e r a ld y n a m i cm o d e l s o fa r t i c u l a t e dl r vb a s e do i ls i m m e c h a n i c s w h i c hb a s i c a l l ys a t i s f i e dt h er e s e a r c ha n d a n a l y s i so nd y n a m i c sp e r f o r m a n c ei nl r v k e yw o r d s ：l i g h tr a i l w a yt r a i n ，s i m m e c h a n i c s ，a r t i c u l a t e dm o d u l e ，r i d eq u a l i t y ， d y n a m i cp p r f o r m a n c e 学位论文版权使用授权书 本入完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位沦文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：螂7 7 曲f 年弓月p 日 经指导教师同意，本学位沦文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 学位论文作者签名： 年月曰 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：美料 f 年；月o | = i 符号说明 意义 动下质域 动乖襦头转动惯苗 动下侧滚转动惯肇 动1 ：点头转动惯越 过渡下质域 过渡1 i 摇头转动惯鼙、 过被叶i 侧滚转动惯越 过渡1 i 点头转动惯带 动力转向架构架组成质姑 动力转向架构架绸成摇头转动惯草 动力转向架构架组成侧滚转动惯龄 动力转向架构架组成点头转动惯挝 动力转向架轮对组成质域 动力转向架轮对组成摇头转动质鼙 1 f 动力转向架构架组成质鼙 1 f 动力转向架构架组成摇头转动惯量 竹动力转向架构架组成侧滚转动惯嚣 1 r 动力转向架构架组成点头转动惯苗 啦动力转向架轮列组成质墩 竹动力转向架轮对组成j i ：头转动质甜 动力转向架二系横向阻尼( 每转向架) 动力转向架二系摇头阻尼( 每转向架) 动力转向架一系霰向等效阻尼( 每转向架- - n ) 一昨动力转向架二系横向阻尼( 每转向架) m 动力转向架二系 f ：头阻尼 1 l 动力转向架二系承向等效阻尼( 每转向架一侧) 动力转向架一系横向阻尼 啦动力转向架一一系横向阻尼 动力转向架系 遐头阻尼 1 卜动力转向架一系摇头阻尼 轮缘等效阻尼 动力转向架一系难向等效阻尼( 每辅箱) 纵向k a l k e r 系数 横向k a l k e r 系数 州转k a i k e r 系数 动力转向架：系横向刚度 摇枕0 构架问的摇头刚瘦( 每转| f l j 架) 动力转向架二系砸向刚度( 每转向絮- f # , 1 ) 讣动力转向架一二系横向刚度( 每转向架) v 靴k耐耐w蟾耐耐州k州耐姘kw吨耐耐州缒耐n n n 衍；蚕；至-心凇m啦眦协m叭m晰眦!翟吣僦叩如啦眦融叫啦州啦叫泖轧岛b眺如噼 意义 1 f 动力转向架一：系摇头刚度( 每转向架) 竹动力转向架二系雄向刚度( 每转向架- - n ) 系孵向刚度( 每轴箱) 一系横向刚度( 每车| j l 箱) 一系纵向刚度( 每轴箱) 轮缘嚣效刚嫂 1 1 辆轴距之、r 轮对两滚动圆问距一、卜 动力转向架中心离动力下体质心的纵向距离 动1 i 质心离朴铰接的纵向距离 过渡下质心离铰接处的纵向距离 动乍质心￥e 铰接处的纵向距离 动力下一诲币体纵向距离 1 f ：动力个一。”印体纵向距离 动力下一系乖向弹簧横向垮距之、i ， 过渡印一系乖向弹簧横向垮距之、r 动力个一：蕊向阻尼横向垮距之、r 动力乍一：乖向刚皮横向垮距之、i ， 。1 | ：动力下二秉向阻尼横向垮距之l 非动力下二承向刚度横向垮距之、r 车体质心离轻轨车地板高度 印体质心离铰的商皮 动印下体质心离二系剐皮支承面高度 动乍1 i 体质心离二系龃尼支点高度 动中转向架构架质心离二系阻尼支点高度 动印转向架构架质心离二系刚度支承面高度 北动巾转向架构架质心离二系刚度支承面高度 非动下乍体质心离二系阻尼支点高度 m 动乍$ 向架构架质心离- 二系阻尼支点离度 托动印转向架构粲质心离一：系刚度支承面赢度 动中转向架一系刚度上：支：承点离轮轴线高度 加速皮的功率谱密度 平稳性指数 v 篇篇概：品 艏墨|呈|咖咖帅m曲婚m屺巾忱却啦衄做撇抛舱撇慨慨一撇帅 第1 章绪论 1 1 论文选题背景 第1 章绪论 城市规模的扩大和发展模式的变化，不仅使城市公共交通发生了数量上的变 化，而且也在质量上提出了更高的要求，改善大城市的公共交通问题，除传统的 地面道路交通外，许多发达国家都在大力发展较为完善的城市轨道交通系统，形 成一个由地面、地下和空中组合而成的立体式公共交通网。轻轨交通便是其中一 种有效的交通方式，近几年来在世界上各国大城市得到迅速的发展，我国也有十 几座城市计划或正在建设轻轨交通。其具有投资少、建设周期短、灵活性强、运 行成本低的特点，可在关键地段和市中心采用高架或地下铁道结构，使其运量大、 速度快、安全、准点。此外，为提高舒适性和方便残疾人等，低地板轻轨车辆也 迅速发展起来。新一代低地板轻轨车辆中设计的新技术极为广泛，包括模块化车 体、独立旋转车轮转向架、交流传动、低地板等。 城市低地板面轻轨列车在国内正处于前期发展阶段，在大连市和长春市都已 开通首期低地板面列车运行线路，但也暴露出较多的问题。本课题结合唐山机车 车辆工厂为长春新一代低地板面列车的研制任务，对一种铰接式的低地板面轻轨 车进行多体动力学模型的研究，并结合科研项目进行实际应用和计算分析。以列 车为单元进行列车动力学研究对轻轨列车是必要的，因为不同的铰接机构及其端 部悬挂元件特性会对列车的动力学性能有较大影响。 1 2 国内外轻轨车辆发展概况 在轻轨车辆发展过程中，显著的特征是高地板向低地板轻轨列车的转化。一 般认为高地板轻轨列车的地板面距轨面在8 0 0 1 0 0 0 m m 之间，在3 0 0 3 5 0 m m 之问为低地板，9 0 年代后，多数城市倾向于采用低地板轻轨列车，也有少数城 市采用商地板轻轨列车，例如德国城市k6i n 在2 0 0 0 年从b o m b a r d i e r 定购的5 5 辆k 5 0 0 0 型高地板轻轨列车，如图1 1 所示，地板高度为9 0 0 m m ，计划在2 0 0 1 年9 月交付。另外，s i m e n s 在1 9 9 9 年6 月根据模块化、轻量化的思想发展了新 一代高地板轻轨列车c i t y s p r i n t e r , 我国湘潭电机厂在“七五”科技攻关中成功研 制了我国第一辆六轴铰接轻轨列车，也是全高地板。 第1 章绪论 图1 1 高地板轻轨列车图 高地板轻轨列车需要建造高站台，在城市中建造高站台不仅影响市容，而且 也不便于乘客上下车。因此8 0 年代开始出现了各种形式的低地板轻轨列车。从 其发展来看，主要有三代低地板轻轨列车。 第一代低地板轻轨列车的中间部分有一个低地板进口，低地板大约占车长的 1 0 一1 5 ，随后该车经过改进可得到占车长5 0 左右的低地板。这种类型车 采用常舰转向架、分段式低地板，车内需要台阶过渡，如图1 2 所示。 图1 2 第一代低地板轻轨列车图 第二代低地板轻轨车辆有较长的低地板部分。约占整车6 0 一7 0 ，但车 内还需要台阶向高地板过渡。这种轻轨车辆的中间走行部需要一种全新的安装方 式，主要有三种方法：小车轮拖车走行部、独立车轮走行部和独立旋转车轮走行 部。例如，瑞士v e v e y 公司为b e r n e 制造的轻轨列车就采用了车轮直径为4 1 0 m m 小车轮拖车走行部，低地板高度3 5 0 m m ，占整个地板长度的7 2 。a l a t o m 为法 国的g r e n o b l e 制造的低地板轻轨列车采用独立车轮走行部，3 4 5 m m 的低地板部 分占整个车长的6 3 ，如图1 3 所示。运用独立轮旋转车轮走行部的城市主要有 德国的b o c h u m 、r o s t o c k 等。我国大连市有轨电车改造工程在借鉴国外成熟技 术的基础上，率先采用了非动力独立车轮转向架，使7 0 低地板的有轨电车得 以实现，并己通过了试运行，目前小批量试生产。 她阳日日用日嘲p 脚日囤宁e ? 囝趟 图1 ，37 0 低地板轻轨车图 第三代1 0 0 低地板轻轨车是最受乘客欢迎的。如果将动力转向架也采用独 立旋转车轮，取消车轴，则动力转向架上方的中间通道也可以做成低地板，从而 第1 章绪论 实现1 0 0 低地板，如图1 4 所示。2 0 0 0 年，a m s t e r d a m 从s i e m e n s 定购了一批 为数9 5 辆的c o m b i n o 型全低地板车，首辆模块化铰接车预计在2 0 0 1 年1 0 月投 入商业运营，其余车辆的交付时间定在2 0 0 2 年底。 图1 4 全低地板轻轨车 由于轻轨车的车门对客流量影响较大，故应设置足够多的车门并有相应的宽 度，以方便乘客上下车和缩短停站时间。车门一般有双扇内藏、双扇外挂和双扇 折叠等形式。前两种在目前的轻轨车上采用的较多，车门的开闭主要通过电控缸 或电机驱动。 轻轨车辆要求车体应有足够的强度和刚度，且力求重量轻、耐腐蚀和造型美 观。为此应对车体结构进行优化，选择较为合理结构尺寸。基于上述的原则，为 防止腐蚀和减轻车体自重，采用不锈钢结构或铝合金结构，目前新技术是复合材 料整体成型的方式 国外轻轨交通的迅速增长，对轻轨车轮的需求也日益上升，但轻轨市场的竞 争也同趋激烈。就发展趋势而言，有一下几方面的特征： ( 1 ) 易于制造由于低地板轻轨车的技术比较复杂，其价格相对高地板要 高出约1 5 2 0 ，轻轨车辆制造集团要想提高国际市场竞争力，必须通过降低 成本来获得合理的车辆价格，所以现在几乎所以的低地板轻轨车都引入了模块化 技术。主要标准模块包括：动力转向架、非动力转向架、前端车厢、后端车厢、 中间车厢、铰接部等。 ( 2 ) 方便乘客现在，低地板轻轨车辆前景比较看好的关键一点就是方便 乘客上下车。从国际轻轨车辆的市场来看，低地板轻轨车辆的销售数量日渐增多， 应用也越来越广泛，为了适应市场的需求，国外几家轻轨车辆制造集团都在开发 自己的低地板轻轨车系列。如s i m e n s 的c o m b i n o 系列、a l s t o m 的c i t a d i s 系列 等。 ( 3 ) 利于环保为了降低成本、减少牵引动力的消耗和减轻轮轨磨耗和噪 音，轻量化的结构是未来的发展趋势。为了保护环境，轻轨车辆应能再生，减少 无法回收材料的使用。另外，运营在城市中的轻轨车辆应该尽量减少噪音和振动， 以便保护其运行周围环境。 ( 4 ) 维护方便现在轻轨车辆都装设有故障诊断与显示系统，使得维护十 分简便。同时，要考虑广泛的维护技术，必须培养能够维护和管理新型轻轨车辆 第1 章绪论 的技术人员。低能耗、低磨耗的运营技术，也是轻轨车辆维护的重要组成部分。 总之，未来轻轨车辆设计力求：造价低、维修量小、运营费用低和对乘客有 吸引力。 1 3 国内外轻轨车仿真研究现状 国内外在建立轻轨列车动力学计算模型方面有以下三种方法，一是应用商用 多体动力学软件，如s i m p a c k ，a d a m s 等，利用实体建模方法，用内嚣的算 法积分计算；二是采用高级计算机语言建立运动方程，再编制相应的数值积分计 算方法程序进行计算：三是采用图框式的s i m u l i n k 工具建立动力学系统的模型， 用内置的数值计算方法计算。第一种方法是基于8 0 年代的多体动力学的研究成 果和计算机可视化软件的发展，这种方法建模直观，计算结果的显示也较直观， 但软件内核是8 0 年代的技术，升级不易。这种建模方法虽然对使用者的要求较 低，但也会使使用者对软件背后的数学处理难以了解，因此往往会造成简单模型 复杂化，使计算效率降低，甚至出现模型的畸形。第二种方法是计算机相应软件 未成熟期产生的，往往是专业人员针对各自的研究对象研制数学计算模型，因此 在模型规模和计算可行度方面各异。第三种方法是9 0 年代开始发展的高级计算 和建模软件工具，在科学计算界和工程界发展很快，对于机车车辆动力学模型国 内外也有很多应用，但原先在多体铰接机构的建模方面没有相应的模块，因此在 这方面的应用受到限制，但最新的s i m m e c h i n c s 提供的多体铰接模块，因此综合 运用s i m m e c h i n c s 和s i m u l i n k 的原有模型，可以建立模型精度高、计算效率高 的列车仿真模型，可以提高模型的正确性，提高计算效率。但由于这一建模功能 推出不久，在列车动力学模型方面国内外未见有公开论文发表，在技术上有较高 的难度，因此若能应用此功能研制出计算有效的计算模型，在机车车辆动力学理 论上有积极的学术意义。对m a t l a b s i m u li n k 在列车多体带铰系统建模方面也是 种新的尝试。 对于机车车辆设计者而言，设计性能良好的悬挂系统，满足运行是首先需要 考虑的问题。影响列车运行的动力学性能主要有以下几个方面： ( 1 ) 轨道不平顺模型及轨道谱的建立； ( 2 ) 系统动力学模型的建立； ( 3 ) 系统仿真与评价。 以下就这三点筒述国内外的研究现状。 4 蚺i 蒂绪论 1 3 1 轨道不平顺及轨道谱 轨道不平顺是使运行中的机车车辆产生振动的主要根源，是机车车辆轨道 系统的激扰函数，它直接影响轮轨相互作用及列车运行的安全和平稳舒适性，甚 至对货物朐损坏也有卅i 可忽视的影响。列车运行速度越高，高低、水平、方向、 轨距不平顺对车辆振动、轮轨作用力的影响越大。各种轨道不平顺是线路方面直 接限制行车速度的主要因素，也是直接影响轨道和车辆爿；见损伤、使用寿命和维 修赞川的t 婴刚豢。 对j i 新研制的轻轨车辆，在进行动力学仿真发参数优化设计时，以及车辆在 进行动力学性能预测叫，均需要特定的轨道谱作为激扰函数。我国在研制轻轨列 车时，理论计算和悬挂系统的设计均采用美幽2 、3 绒线路轨道谱，垂向、方向、 水平小平顺功率潜密度豳数的公式如下： 方向不平顺 蹦卟焉 瓯( 妒焉 ( 1 2 ) 水、r 刁j i 俐m 年轨距爿i 平顺具有牛h 同的潜密度表达式 墨( 妒两 ( 1 3 ) 其中：s 一功牢谱密度 q 一空闽波数 1 3 2 轮轨接触关系 轮轨接触关系是车辆系统动力学的核心。它包括轮轨接触几何参数的确定以 及轮轨阳j 蠕滑力的计算。在轮轨接触几何学的领域，c o o p e r r i d e r - ! | ：1 9 7 9 8 1 年解决 了两维轮轨儿何接触问题，即不考虑轮对摇头角位移来确定轮轨接触位置和接触 几何参数。d ep a t e r 和y a n g 吲应用空恻解析几何和阶近似方法，成功解决了轮 轨几似接触的三维计算问题。国内的研究者大都是采用轮对的摇头角空间分析方 法研究轮轨的接触的几何参数。 轮轨蠕滑殚硷作为车躺动力学的基础理沦，在1 9 8 3 年。i h 沈志云、j k h e d r i c k 和j a e l k i n s 提出使用的计算机公式化近似算法，这是目前在车辆系统动力学中 广泛使用的非线性理沦。总的来说，在车辆动力学性能分析时轮轨关系计算方 第l 帝绪论 法一扛要有缩减凶子公式法、程序计算方法和表格插值法，其中广泛使用的沈式理 论为： r = p ( 1 4 ) = 一g ( 1 + 5 ) m 。= m ： ( 1 6 ) 以：，7 “ 每 _ ；( 暑 2 + 去( 素门 1 3 3 系统动力学模型 立1 3 z 当l 、i 3 f i ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 。9 ) ( 1 1 0 ) 为了解列车的动力学行为和列车与轨道之间的动力作用，分析列车的动力学 性能。现厂泛采用列车和轨道的数学模拟技术。机车车车j l | i 的动力学行为及轮轨间 的动力学作用随运行条件、列车类型、轮轨型面及轨道状态变化而变化。要建立 一种能反映列车及列车一轨道相互作用所有特点的统一模型是不可能的。但是， 珂以就这利l 牛目互作用产生的复杂动态特性的某些方筒分别采用不同的数学模型 来分析。 山于车辆垂向运动和横向运动之间的弱耦合。i 盟此，肖采用列车模型进行动 力学性能分析研究中。对于横向响应的分析可以4 i 包括垂向自由度或研究垂向 响应时不考虑横向自由度。对于垂向响应来晚，只考虑各部分的浮沉、摇头和侧 滚等自 i 发；札应地，对横向响应基波，训+ 以只考虑横移、摇头和侧滚自由度。 在铆f 究纵向动力学时，部件的纵向、点头和侧滚自l “度川予以考虑。因此。模型 的建立依据分析的目的不同而不同总的自山度数日可以人大减少。这样做不仅 6 第1 章绪论 可以减少讣算费刖，而l l 对计算结果的解释【i ；i 大为简单。 本文针刈不同的汁算分析目的，建立了针对性的计算模型和方法。这些模型 有堆m 横向整午随机u i 应计算模型、二怍线性的动态曲线通过仿真模型。 1 3 4 列车运行平稳性的评价指标 列车运行平稳性的评价指标是列车运行品质的客观评判准则，是列车动力学 性能的重要评价指标。我国在g b 5 5 9 8 - - 8 5 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴 定规程中规定采用s p e r l i n g 指标来评价机车车辆的运行平稳性，并一直沿用至 今。s p e r l i n g 平稳性指标如下： w = 0( 1 1 3 ) 式q 一，w 为，f 稳性指标，a 为振动加速度( g ) ，f 为振动频率( 1 l z ) ，i ，( f ) 为 频率的修币系数，见表1 1 。 袭1 i 频率修止系数 乖肖振动频牢修正系数横向振动频半修正系数 o 5 59 f ( f ) = 0 3 2 5 r 05 5 4 f ( o = o 8 ， 5 9 2 0 f ( f ) = 4 0 0 f 5 4 t 6 f ( d = 6 5 0 ： 2 0f ( f ) = 1 2 6 f ( 0 = 1 平稳性的划分等级见表1 2 。 表1 2 平稳性指标等级表 、p 稳性等绂i i 稳性指标阡定 l 绂 25 优 2 级2 5 - 2 7 5良好 3 绒2 7 5 3 o合格 1 4 本文主要研究内容 本文根掘唐山机车车辆工厂的项目关于“7 0 低地板铰接式六轴轻轨车转向 架方案设计、构架强度分析及整车动力学性能优化计算”为背景展丌研究的 对陔低地板l 面列车的各项动力学性能进行了计算和分机。 本文以7 0 低地板轻轨车为研究对象，采用s i m u l i n k 中的最新推出的 s j i t l l l l e c h d n i c s 功能对刚性铰接机构进行列车动力学建模。预测动力学性能。本 文主要进行了一下工作： ( i ) 列因内外城市轻轨列车的发展现状和趋羚进 j ：了综述，为我国轻轨车 第1 常绪论 辆发展提 j 建议： ( 2 ) 介绍了动态机城模拟软件s i m m e c h a n i c s ，建立了一毅摆机构的仿真模 型，并对模型进行仿真分析。 ( 3 ) 建立基- 3 ：s i m m e c h a n n i c s 的铰接式轻轨列车垂向和横向的动力学模型， 分别对模型进行校验。 ( 4 ) 采用所建立基于s i m m e c h a n i c s 的铰接式轻轨列车垂向和横向随机响 应计算模型，对列车运行平稳性进行研究，并对车体悬挂参数进行优化分析。 ( 5 ) 建立了基于s i m m e c h a n i c s 的铰接式轻轨列车曲线通过仿真模型，分别 用于分析车辆通过曲线时轮轨横向力、轮轴力、倾覆系数等，对列车的动力学性 能进行分析。 ( 6 ) 对全文工作进行总结。对车辆的；悬挂参数进行优化设汁，预测了在这 些悬挂参数取值范围内列车的动力学性能以及曲线通过安全性能，并提出深入研 究的 一作及方向。 箱2 章动态机械模拟软件s i m m c c h a n i c s 曲介 第2 章动态机械模拟软件s i m m e c h a n i c s 简介 2 1 引言 在车辆系统动力学分析中，建立数学仿真计算模型是最关键的因素，在以往 车辆的建模中，为了简化建模，很多非线性模块被当作线性方式来处理。 为分析低地板面轻轨列车的动力学性能，研制多刚体的列车模型，本文采用 m a t l a b s i m u l i n k 以及s i m m e c h n i c s 建立综合的带铰接机构的列车模型，改造已 有的轮轨系统模型；多刚体列车模型不仅可以用于轻轨车的动力学计算分析，为 设计提供参数优化手段，而且还可推广用于高速铰接式列车的列车动力学仿真分 析。 2 2 动态机械模拟软件s i m m e c h a n i c s 及其模块的简介 2 2 1s i m m e c h a n i c 8 软件的简介 美国总公司t h em a t h w o r k s 闩前币式推出建立于s i m u l i n k 动念模拟平台上 的s i m m e c h a n i c s1 0 。为各种动态机械相关领域的设备模组化( m o d e l i n g ) 及控 制器( c o n t r o l l e r ) 提供了高速效能的丌发工具。以s i m u l in k 作为基础设计坏境。 s i m m e c h a n i c s 能够以直觉化的方式设计大型动态机械系统以及相关控制系统的 模组并执行动态模拟；充分发挥高效率的工作效能。s i m m e c h a n i c 内建许多物理 零件的模块( b l o c k ) ，包括：机身( b o d y ) 、结点( j o i n t ) 、条件( c o n s t r a i n t ) 、坐 标系统( c o o r d i n a t es y s t e m ) 、驱动器( a c t u a t o r ) 、检测装置( s e n s o r ) 等。这些 模块不仪让建立动态机械系统图块的工作变得轻松方便，更能联结任何其他的 s i m u l i n k 设汁，并模拟机械零件与控制器、动态机械系统互动状况”。 s j m m e c h a n ic s 的特点： 在s i m u li n k 环境下建构剐体机械系统，并能以动两模拟的方式显示 提供完整的模组化阶层特色，有助机械系统模块与其他模块的组合 辅以s i m u l i n k 的运算器功能，加强三维空间分析与模拟的准确性 完整的j o i n t 与c o n s t r a i n t 函式库 可进行线性及角运动、力、力矩的模组建构 针对控制系统设计，提供r r i m m in g 、l i n e a r i z a t i o n 等重要功能 9 第2 章动态机槭模拟软件s i m m c c h a n i c s 简介 藉由v i r t u a r e a l i t yt o o l b o x 与m a t l a b 绘图功能的辅助，加强机械系统 的视觉化和动面模拟能力 完整呈现机械系统，呈现运动学、f 向与逆向动力的分析结果 使用递归演算法解决多体化系亳充的动态方程式 提t f e 定义模组的多重区域性坐标系统 属于m a t l a b s i m u l i n k 产品家族的s i m l d e c h a n i c s ，对于实体模型( p h y s i c a l m o d e lin g ) 的发展具有重大帮助，让实体系统( p h y s i c a ls y s t e m ) 能够凭稽原有的 s i m u li n k 模块，与系统层级( s y s t e m l e v e l ) 的控制系统相联结。s i m m e c h a n i e s 内建的丰富元件，让使用者能够轻易建构复杂的机械予系统( s u b s y s t e m ) 模组， 包括；地面运输工具、航空器和工厂设备等，都是时常在实体系统中接触到的子 系统。 s i 渊e c h a n i c s 能够有效提升动态机械褶关产业的研发效率，在教育专业研究 方面则能够应用于各大专院校对于动念机械系统的开发研究，尤其具备数学理论 基础的研究者更可避步进行实体动念的分析与模拟。 2 2 2 动态模拟软件的模块的介绍及参数相关设置情况 动态机械模拟软件s i m m e c h a n i c s 有五个模块，b o d y 模块、c o n s t r a i n t s d r iv e r s 模块、j o i n t 模块、s e n s o r a c t u a t o r s 模块和u t i l i t i e s 模块。 s i m m e c h a n i c s 是t h em a t h w o r k 公司推出的m a t l a b 6 5 新增加的机构系统模块 集它可以对各种运动副连接的刚体进行建模与仿真，实现对机构系统进行分析 与设计的目的。它提供了一个可以在s i m u l i n k 环境下直接使用的模块集，可以将 表示各种机构的模块在普通s i m u l i n k 窗口中绘制出来，并通过它自己提供的检 测与驱动模块和普通s i m u l i n k 模块连接起来，获得整个系统的仿真结果。 本文主要介绍建立动力学模型时所涉及到的予模块组。该模块组主要包含以 下j l 个子模块组： l 、刚体子模块组：有2 个模块即接地装置和刚体，如例2 1 所示。左边的为接 地模块，蕾i 边的为j _ i 9 4 体模块。接地模块参数设置情况如图2 2 所示，在定义接地 的位置时，首先必须要确定全局坐标系统的位置，接地的位置就是相对于全局坐 标系统的坐标位置。 蚓2 1 刚体模块组 第2 章动态机械模拟软件s i m m e c h a n i c s 简介 e ；r o u n d e dp o i n t “。+ l o c a t i o n * y z ( t e l a t i v e t o t h e w o r i dc o or d i n a t es y s t e m ) 匝正二二二二 匠二团 亟j 匝巫习臣叵 五j 图2 。2 接地模块参数设置 在使用刚体模块时，用户还应该根据实际情况设置包括刚体质量、位置、方 向和坐标系在内的一系列参数，如图2 3 所示。刚体的质量在m a s s 栏中填写， i n e r t i a 为刚体的惯性质量，在此栏中填写刚体惯性质量矩阵。在位置p o s i t i o n 一栏中，c g 是定义本刚体质心相对于全局坐标中心的坐标位置，而c s i * 口c s 2 为刚 体和其他模块连接处的位置，它们均是是相对于本刚体质心的坐标位置。 m a s sp m p 喇e s 一一一一一 ”一 m a s si n e f l j a 二 叵二虱匾正二二二二二 匝亟 囤 。w 晰r e d s p e c l l o 廿1 e e 0 ( c e n t e ro f g r a v i t y ) b o a yc o o r d i n a t es 日0 啦c o o r d i n a t es y s t e m s 一一一- 一一 p 。s 胁 o i e n l a m d n _囝签隹匝 - s h o w蛳t o t 1 r a n a l a t e d f r o m c or n p o n e n t s i n d 0 p o r t 酗d en a m i：鹾国u n i t s 0 r i g i d lo f a x e so f n l e n 凰l c g【00 衄 m 避i w o r l d董! 1 w o r l d圈 翮盛虱c 副0 明 m 毯l c 。基礴c o 阕 同 r i g h t 圈l c 8 21 00 加 m 匿l c g园l c o 圜 - 。 - _ _； 团圆圃圃 图2 3 刚体模块参数设置图 2 、约束与驱动模块组：有静力学约束的模块，如齿轮约束等，还包含各种 传动模块。由于本文中没有涉及这组模块，所以简介一下齿轮约束，如图2 。4 所 示，其参数设置如图2 5 所示，分别输入各个齿轮的半径。 图2 4 齿轮 r a n l u s ：r ：t 石 p hc j r c , 1 0 1 0 亡a b d h f o i i o 啪。 一“ 二二二二二 u ：翮 团圆圃回 到2 ，5 齿轮参数没置 第2 章动态机械模拟软件s i m m e c h a n i c s 简介 3 、辅助工具模块组：这里的模块允许在其他模块中添加节点，或将信息转 换成虚拟现实工具箱用的数据。图2 6 所示为辅助工具模块组中的物理模型连接 模块，此模块可用来在其他模块中添加节点。 图2 6 物理模型连接模块 4 、运动副模块组：提供了各种运动副的图标如回转副、平面副、球铰等， 可以用这些运动副来连接刚体，构造所需的机构。这里主要介绍本文涉及到的球 铰和回转副。如图2 7 所示，左边为球铰模块，右边为回转副模块。球铰由于三 个方向均是固定的，不需设置参数，如图2 8 所示。而回转副参数设置代表了一 个回转自由度， 001 代表的是绕z 方向回转，可用右手定则来判断。 c o n n e d o d a f m d 坩一 母母 图2 7 球铰和回转副模块图 c u h o n lb m $ 1 ： n “c o m 湘巾 c u r t e n l m o f c p h b r w s e n 。c 叵习 f r 一一- 一 f 0 m w b 一- 一一一一 一一一一 m o 潮“i 团圆团圃 幽2 8 球铰参数设置图 c o n n c _ o 懈i m h ” c 州h c u m i i o r n l 跏b 州o te n w ，c “0 r o o 咆 p 玳m e 咐3 ；荫；一珏；j 图2 9 回转副参数设置图 5 、检测与驱动模块组：检测模块用来和普通的s i m u l i n k 模块交换信息。驱 动模块用来给机构添加s i m u l i n k 输入量，例如，用户可以用普通的s i m u l i n k 模块 搭建一个力信号，然后通过刚体动模块将该力信号施加到相应的刚体上。要想使 得s i m m e c h a n i c s 模块和普通s i m u l i n k 模块进行数据交换，就必须用这样的中间环 节。 国母图回 图2 1 0 检测和驱动模块圈 第2 章动态机械模拟软件s i m m e c h a n i e s 简介 m e a s u n n g b o d yc o o n ，i n a l es y 时e m 螂mr e s p e n f oc o b 日j 目a m 洲e m 回i x kz lp 0 8 i l c o n 口r z 】v e l o c i n 口【眦b ，b z 。l a n g u l ar r e l o c l t y ( s e e b i m d l q m m 匝巫亟叵弼 口【3 x 3 i i q o l a t i o n m m 口【t r r ia c c e a t l o n 匝互二二弼 口i 。te n9 州觚叫a c e l er 蛳o n 匝至歪二二二圈； 囱o u t p u ts e l e c t e ap a r a m e t er sa so n es i g n a ! 田圆圃圃 j 【c t u a t l o n 、”。4 一。”一 d u e t l n o b e d y 寮t c o o r d i n e t es y s t e m ( s e e b l o 非d i a g r e m ) u 3 i n dr 可e r e n c ec o o r d i n a t es y s t e m g o n e 阳l 【踊d f o r c e s ： 口a j o p l y t o r q u e 回a p p l y f o r c