（车辆工程专业论文）柔性车体的随机振动性能和动应力分析.pdf

摘要 摘要 铁路是国民经济的大动脉，是国民经济发展的主导。发展铁路事业，对国民经济起 着非常大的促进作用，客车高速化是铁路运输的既定发展方向。 随着列车速度的提高，车体的振动、噪声问题愈发显著，这直接关系到高速列车运 行的安全性和乘坐舒适度。另外，铁路的高速化对客车的轻量化提出了更高的要求，高 度的轻量化将导致车辆动态性能的下降，车速的提高也会使各种不平顺引起的随机激励 频率的频域加宽，并通过转向架作用于车体，以较高的频率激励出车体的弹性振动，导 致车体垂向和横向振动加速度增大，这势必会影响车辆的动态性能和乘坐舒适度。 论文主要通过建模得到了各部件的质量、转动惯量，同时由有限元计算出模态分析 结果和子结构特征，为建立多体动力学模型做好了准备。通过多体动力学软件s i m p a c k 和有限元分析软件a n s y s 的有效结合，完成了全刚体车辆系统动力学模型以及刚体一 柔体耦合车辆系统动力学模型，同时获得了两个模型在美国5 级谱随机激扰下车体振动 较大部位的动态响应，并进行了比较分析。由此可以揭示出将车体考虑成柔性体的刚柔 耦合模型与全刚性体模型的区别。利用准静态应力分析方法对车体结构进行动应力计 算，具体方法是利用a n s y s 获得车体结构在设定载荷工况下的应力影响因子( s i c ) ， 并将其与刚柔耦合多体仿真得出的载荷历程相乘叠加求和计算( 即最大主应力的叠加计 算) ，最终获得车体结构动应力时间历程。 本文通过综合有限元分析和多体动力学仿真分析，得出结论：与全刚体模型相比较， 将车体进行柔( 弹) 性化处理对车体横向振动影响较小，对车体的垂向振动影响较大。 当车体只受垂向和横向激扰时车体动应力平均水平和幅值并不大，在原有模型基础上考 虑车辆的纵向车钩力后，得到应力的平均水平有了很大的提高。因此在动应力计算时纵 向激扰是不可忽略的。 关键词：车体；多体动力学；刚一柔耦合；随机振动；有限元 大连交通大学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t t h er a i l w a yp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h en a t i o n a le c o n o m y 1 1 1 ed e v e l o p m e n to f r a i l w a yp r o m o t e st h en a t i o n a le c o n o m y c u r r e n t l y ，t h eh i g hs p e e dv e h i c l ei st h ed e v e l o p m e n t d i r e c t i o no ft h er a i l w a y n l e1 1 i 曲s p e e d i n ga n dh e a v yt r u c kb r i n gt h er a i l w a ys e c t i o nw e l le c o n o m i ca n ds o c i a l e 硒c i e n c y 。a n dm a k eu sf a c eas e r i e so fn e wp r o b l e m ，s u c ha st h ev i b r a t i o na n dn o i s e p r o b l e m so ft h ec a r b o d ya r em o r ea n dm o r eo b v i o u s i tc o n c e r n sa b o u tt h et r a i n ss a f e t ya n d r i d i n gc o m f o r t a d d i t i o n a l l y ，t h es p e e d i n gu po ft h er a i l w a yp u t sf o r w a r dh i g h e rr e q u e s t st o t h ec a r b o d yl i g h tw e i g h t i n g ，b u tt h el i g h tw e i g h t i n gw i l lm a k et h ev e h i c l ed y n a m i cs t a t e d e s c e n d n eh i g hs p e e da l s om a k e st h ec a r b o d y sv i b r a t i o nf r e q u e n c yr a n g ew i d e n e dt h r o u g h b o g i e s t h a ti st h er e a s o no fc a r b o d y se l a s t i cv i b r a t i o n s u b s e q u e n t l y i td e f i n i t e l yi n f l u e n c e s t h et r a i n ss a f e t ya n dr i d i n gc o m f o r t t h ep a r t s g r a v i t yc e n t e ra n dm a s sw e r eg a i n e db yb u i l d i n gu pt h ep a r t s f e m o d e l ， m o d a la n a l y s i sa n ds u b s t r u c t u r ea n a l y s i sw e r ep e r f o r m e db yu t i l i z i n ga n s y s t h ea r t i c l e i n c l u d e dt h em u l t i - b o d vs y s t e ms i m u l a t i o na n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s av e h i c l es y s t e m m u l t i - r i g i d - b o d yd y n a m i cm o d e la n da v e h i c l es y s t e mr i g i d e l a s t i cc o u p l i n gd y n a m i cm o d e l w e r ee s t a b l i s h e db yu t i l i z i n gt h em u l t i b o d ys y s t e md y n a m i cs o f t w a r es i m p a c ka n dt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t h e t w om o d e l s d y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c su n d e r t h er a n d o me x c i t a t i o nw e r ec a l c u l a t e da n dc o m p a r e d t h eq u a s i s t a t i cs t r e s sa n a l y s i sw a s u s e dt oo b t a i nt h ed y n a m i cs t r e s s ，a n dt h ed e t a i lm e t h o do fs t r u c t u r a lq u a s i s t a t i cs t r e s s a n a l y s i sw a st h a tt h es t r e s si n f l u e n c ec o e f f i c i e n t s ( s i c ) w e r ec a l c u l a t e dw i t ha n s y s a n d t h e yw e r em u l t i p l i e dw i t ht h el o a dh i s t o r i e sw h i c hw e r ec a l c u l a t e db vs i m p a c kt oo b t a i nt h e t o t md y n a m i cs t r e s so fc a r b o d yu n d e rc e r t a i nl o a dc a s e t h ep a p e rw a sc a l c u l a t e db yc o m p r o m i s i n gt h em u l t i - b o d ys y s t e ms i m u l a t i o na n df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s a n dt h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ：t h ef l e x i b l ec a r b o d yh a sas t r o n g i n f l u e n c eo nv e r t i c a lv i b r a t i o n , b u ti td o e s n ti n f l u e n th o r i z o n t a lv i b r a t i o n n l em e a ns q h a r e r o o to fd y n a m i cs t r e s sw h i c hw a sc a l c u l a t e du n d e rv e r t i c a la n dh o r i z o n a le x c i t a t i o ni ss m a l l s ot h el o n g i t u d i n a le x c i t a t i o ns h o u l dn o tb en e g l e c t e di nt h ec a l c u l a t i o no fd y n a m i cs t r e s s k e yw o r d s ：c a r b o d y ；m u l t i b o d yd y n a m i c s ；r i g i d f l e x i b l eb o d yc o u p l i n g ；r a n d o m v i b r a t i o n ；f i n i t ee l e m e n t i l 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蓬銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文储张砀玮红孙张f 冬钮乞 日期：z f 护莎年，1 月多日 日期：川扩年，乒月, - 3 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 电话： 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者张孙韦红 日期： 二护9 年i 乙月z 了日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 本文旨在通过综合多体动力学分析和有限元分析，获得将车体考虑为刚体和柔性体 后，对比两模型的振动特点。揭示在进行多体动力学仿真时，将车体考虑为柔体的重要 性，为后续的研究工作提供一定的参考价值。 铁路第六次大提速后，我国的主要干线已经开行高速客运列车以及新型重载货车。 提速和重载给铁路部门带来了很好的经济效益和社会效益，同时也使我们面临一系列新 的问题：随着列车速度的提高，车体的振动、噪声问题愈发显著，这直接关系到高速列 车运行的安全性和乘坐舒适度。另外，铁路的高速化对客车的轻量化提出了更高的要求， 高度的轻量化将导致车辆动态性能的下降，车速的提高也会使各种不平顺引起的随机激 励频率的频域加宽，并通过转向架作用于车体，以较高的频率激励出车体的弹性振动， 导致车体垂向和横向振动加速度增大，这势必会影响车辆的动态性能和乘坐舒适度，也 会影响车体的疲劳寿命。 由于以往我国铁路车辆运行速度较低，其部件的弹性变形并不影响其大范围的运动 性态，所以过去车辆系统动力学是把系统中各部件看作刚体，部件之间通过弹性件和阻 尼件连接在一起，同时考虑约束条件来建立分析模型，目前多刚体动力学研究已取得较 为完善的成果。对于车辆系统动力学，当考虑车辆运行平稳性和曲线通过性能等车辆系 统整体动力学特性时，可以忽略弹性效应的影响。有不少车辆系统动力学软件如 a d a m s 、m e d y n a 、s i m p a c k 等已成功地运用于多刚体车辆系统动力学仿真分析。 随着机车车辆运行速度提高，作用于机车车辆与轨道结构之间的动态作用力增大， 使系统动力学性态愈来愈复杂，这些现象是由于部件的大范围运动与构件的弹性变形耦 合引起的，为更好的分析部件的动力学特性，有必要从柔性体的角度来研究。单纯的有 限元分析由于缺少典型的激励边界条件，因而对车辆结构进行结构动力学分析并不能真 实体现车辆在运行中的振动特点。利用有限元与多体动力学的有效结合，将柔性体引入 多体动力学理论对车辆系统进行动力学性能分析，可以揭示整体系统中刚性和柔性的耦 合及互相影响，可以更深入的了解车辆系统中车体弹性效应对车辆运行稳定性及安全性 的影响，可使仿真分析更加符合实际，从而为日后设计质量较高的车体提供有力的保障。 1 2 课题的研究现状 轨道交通设施是国家的重要基础设施，为了满足日益增长的交通需求，世界轨道交 通迅速发展，铁路运输也向着客运高速化、货运快捷重载化、城际交通公交化的方向发展。 大连交通火学_ 1 ：学硕十学位论文 由于高速轨道交通研究的需要，相应的动态模拟技术( 包括计算机仿真和试验) 发展迅 速，臧其吉论述和总结了车辆线路系统的组成和涉及的动力学问题，叙述了各子系统的 研究现状和涉及的理论方法以及发展前景，介绍了车辆动力学性能评价的试验与分析技 术，对现阶段车辆动力学的研究进展进行了归纳和总结，并对我国机车车辆动力学的发 展方向和研究课题提出了建议，并指出车辆动力学中由于轮轨相互作用研究的发展和实 际问题的需要，以及研究中需要考虑某些部件的弹性，使研究高频动力学成为必然趋势 i j o 在研究车辆振动的过程中，人们通过各种方法进行了分析。如果仅考察车辆的运行 品质、脱轨安全性、抗颠覆性，直线运行稳定性和曲线通过性能等，我们可以将各部件 考虑成刚体，忽略其自身的弹性振动对车辆动力学性能的影响，对车辆系统进行多刚体动 力学分析。缪炳荣、肖守讷、金鼎昌对复杂多体系统动力学建模的基本方法进行了研究， 建立了一种机车整车虚拟动力学模型。结合机车动力学建模系统中的体之间的铰接、约 束和力元等建模技术的难点，说明如何正确进行复杂机车多体系统的动力学建模。实例 中对机车动力学模型输入标准轨道谱，分析其在标准轨道谱的随机激励下车体结构的响 应特征，并对动力学平稳性结果进行部分评价乜3 。殷盛福、李晓光对一种新型地铁动车 运用动力学软件a d a m s r a i l 建立了该车的虚拟样机模型，并对其动力学性能进行分析， 得出该车蛇行运动临界速度无论在新轮状态还是在车轮磨损状态都能满足设计和运行 的要求，而且以6 7 k r n h 的速度通过小曲线半径曲线时具有很好的安全性能，直线运行 平稳性良好嘲。 有些人通过建立整车的有限元模型对车辆动力学特性进行分析，向俊将车体和转向 架视为弹性梁，并对其进行有限元划分同时与模态法相结合系统分析了机车车辆结构在 具有有色谱的轨道随机激励下的响应，在机车车辆随机振动计算精确化方面做出了新的 尝试【4 】。为了研究车辆系统的高频振动，其最基本的步骤是获得整车或某些部件的模态， 鲁寨军、田红旗、周丹把整车按弹性体考虑，建立由车体、前后构架和4 个轮对轴箱构成 的2 7 0 k m h 高速动车模型。采用弹簧单元和拉杆单元模拟一系、二系悬挂及牵引拉杆和 轴箱拉杆；设置节点自由度耦合来模拟顶盖与车体其他部件的螺栓连接；在各设备质心 位黄创建质量单元，用弹簧单元将质量单元与底架上相应设备的支点连接起来以模拟设 备质量的影响。用a n s y s 软件的b l o c kl a n c z o s 算法提取了2 7 0 k m h 高速动车在考虑 设备质量和不考虑设备质量两种情况下的前2 0 0 阶特征值和特征向量，并对这两种情况 下的整车振动特性进行比较分析，得到如下结论：不加设备质量时，与垂向变形相关的振 型，其频率明显高于加设备质量时的相应频率：与其他方向变形相关的振型，其相应频率 在这两种情况下差异不大；整车刚度按二系悬挂、一系悬挂、车体、构架、车轴的顺序 2 第一章绪论 由弱变强；整备状态下车体出现垂向弯曲振型的最低频率为1 0 4 2 h z ，满足( ( 2 0 0 k m h 以 上速度级铁道车辆强度设计及试验规范鉴定暂行规定的要求崎1 。 以往，对普通速度运行车辆关键部件的设计只注重静态设计，即经过静力分析和静强 度试验，符合铁道车辆强度设计及试验鉴定规范的有关条款就可被检验通过。但是，随着 车辆运行速度的提高，车体钢结构及车辆关键部件的结构设计必须要从以静强度为主要 准则的静态设计向具有良好动特性的动态设计过渡。王丹、李强采用a n s y s 对长春客 车厂c c k l 5 9 型高速客车车体钢结构进行模态分析，预测车体在某一频域内的振动模态， 以便评定车体的动态特性是否满足设计要求，并就进一步改善车体动态特性提出看法旧1 。 但是单纯的有限元分析缺乏代表性的载荷激励样本，所以其对部件受外部动态载荷激励 情况下动力学性能仿真的精度并不是很高。 随着计算机技术的飞速发展以及结构力学和多体系统动力学软件的日益丰富，多体 动力学和有限元法的结合成为一种趋势，这使得车辆动力学模型愈发合理。缪炳荣、张 卫华、肖守讷、金鼎昌、贺建清提出一种多体动力学仿真和有限元法相互结合进行结构 疲劳寿命预测的方法，并以机车车体结构为例进行了疲劳寿命计算。利用s i m p a c k 的多 体仿真技术获得车体结构的动载荷历程；在a n s y s 中利用准静态应力应变分析法计算 结构危险节点应力影响因子；根据模态分析技术确定车体结构固有频率和模态振型以及 危险点位置。最后，基于动应力历程以及m i n e r 损伤理论，利用f e f a t i g u e 软件的 基于应力的结构安全因子分析法对车体结构进行疲劳寿命预测，其中包括应力应变的循 环计数、损伤预测和最终寿命估计。得出结论为：车体结构的疲劳损伤主要发生在1 5 h z 下的低频区域内；车体结构损伤范围主要发生在车体结构二系悬挂安装位置、车体底架 和侧墙连接处、车体牵引座和车体边梁的连接处等；车体结构振动频率在1 5h z 以上区 域时，由结构振动影响产生损伤较大的区域主要发生在车体司机室和顶棚相连接的角落 处以及司机室的窗户边角处盯1 。这种方法为最终解决车体结构疲劳寿命问题提供了一种 较为系统的研究方法，也为从频域角度进一步研究车体结构疲劳提供了有益的参考思路 和理论基础。阳光武、肖守讷、金鼎昌用板壳单元建立了构架的有限元模型，为避免车 辆弹性动力学分析中自由度数多、求解方程慢的问题，运用g u y a n 矩阵缩减理论选出模 型中能描述动力学行为的部分。运用r i t z 模态向量叠加理论考虑构架的弹性变形对地铁 车辆动力学行为的影响。用车辆系统的位形坐标与构架的模态坐标建立刚柔混合多体 系统动力学模型，使自由度得到缩减。从而较快得到地铁车辆具有构架弹性振动的动力学 响应，其结果与刚体动力学模型相比有明显差别陋1 。王文静、李强、刘志明、毛娟采用有 限元软件a n s y s 建立了c w 2 0 0 型转向架的柔性体模型，采用动力子结构法对模型进 行分析，大大缩减了构架的整体自由度成功解决了动力学分析计算量庞大的问题，将 3 火连交通大学t 学硕十学位论文 a n s y s 软件中得到的分析结果导入动力学分析软件s i m p a c k ，建立了刚柔耦合的车辆 系统动力学模型；将s i m p a c k 软件中得到的时域计算结果即载荷时间历程重新调回到 a n s y s 软件中，分析了结构的动应力分布，得到了构架曲线通过时各部位动应力时间 历程。这样不仅实现了有限元计算与多体动力学分析之间的有效结合，而且完成了多体 系统动力学中刚体与柔性体的耦合，对今后的相关研究奠定基础并起到指导作用，对构 架的设计方法进行了新的尝试阻1 。程海涛、王成国、钱立新应用柔性多体系统动力学进 行货车动力学仿真研究。以货车c 6 2 a 和罐车g 6 0 为对象，把转向架和轮对作为刚体， 车体作为柔性体，对车体建立有限元模型并进行模态分析。用超单元概念通过界面凝聚 功能对柔性车体进行预处理，组成刚柔耦合的车辆动力学模型并进行动力学仿真计算， 通过与刚性系统模型的运算结果进行对比，分析车体的柔性效应对车辆运行安全性的影 响。仿真计算是采用有限元分析软件n a s t r a n ( m s c ) 和多体系统动力学软件 a d a m s r a i l 来完成的。通过对比得出在同样的运算速度和线路条件下，把车辆中的车 体处理成弹性体时，脱轨系数、轮轨横向力和垂向减载率的最大值比刚性车体的最大值 有所增加，但在两个峰值之间的过渡过程，弹性车体系统下的结果变化较为均匀。并通 过与试验结果对比表明把车体处理成柔性体较为合理，与实际情况接近n0 | 。可见在国内 将多体动力学和有限元法有效结合起来主要进行了货车车体和构架动力学仿真，而针对 高速车体的动力学仿真并不多。 在国外，为了进行疲劳研究，就必须得到更加合理的载荷样本，而构造合理的车辆 系统模型进行数值模拟计算得出载荷是一个重要途径，m e d e p a u i 和r a o 讨论了车辆疲 劳设计需要的路面载荷。文献中主要讨论如何在车辆设计早期阶段利用计算机仿真技术 预测路面载荷状况。多体系统利用a d a m s 进行计算机仿真，从仿真中获得结果文件用 来分析路面载荷，结果表明柔性体的模型更接近实际测量的路面载荷u 。hc l a u s 以德 国i c e 高速车辆为动力学研究对象，在分析中把转向架看作柔性体、车体和轮对作为刚 性体，组成了刚柔耦合的车辆系统动力学模型，运算得出中频振动不能忽略的结论u 羽。 综上所述，目前国内外对一些复杂结构，尤其车辆结构( 包括铁路和公路) 的动应 力研究发展趋势主要是利用多体动力学仿真和有限元分析相结合的方法，然后通过试验 手段验证其方法的有效性，这也说明利用多体动力学仿真和有限元方法相结合的手段可 以有效地提取关键部位的动应力历程。但是这些文献基本上是集中在一些尺寸规模相对 较小的关键结构部件。国外铁路领域的动应力也主要是侧重于转向架构架的研究，而对 车体结构的动应力研究则很少，因此，本文旨在探索以数值计算的方法，建立高速客车 多刚体动力学模型、刚柔耦合多体动力学模型以及有限元模型，通过模拟计算，获得车 辆运行中车体结构所受动态载荷及对应的动应力。 毒 第一章绪论 1 3 论文的主要工作 1 3 1 论文的主要内容 第一部分：介绍了文章进行研究所采用的有限元分析软件i - d e a s 和a n s y s 以及 多体动力学分析软件s i m p a c k 。阐述了文章所涉及的有限元理论、子结构理论、多体 动力学基本理论和动力学所涉及的基本概念和术语。 第二部分：建立了某高速客车车体结构和转向架构架的有限元模型；阐述了a n s y s 子结构操作流程，对车体进行了子结构分析，生成车体结构的超单元，大大缩减了结构 的自由度，为后续动力学计算提供了所需的柔性体模型。利用a n s y s 中的b l o c kl a n c z o s 法对构架子结构进行了模态分析，并进行了扩展，得到了动力学分析所需的构架质量矩 阵、刚度矩阵以及固有频率。 第三部分：列表列举了建立多体动力学模型所需要的参数，根据所列举的参数在 s i m p a c k 软件中建立了车辆全刚体系统动力学模型；将a n s y s 中生成的柔性车体模 型导入s i m p a c k 软件中，在s i m p a c k 环境下建立具有柔性车体的车辆刚柔耦合多体 动力学模型；介绍了铁路多种不平顺形式，以图例的方式表达了美国5 级谱的轨道随机 不平顺，并以此作为计算时车辆系统所受的外界激扰。 第四部分：通过多体动力学仿真软件s i m p a c k 对车辆全刚体模型和刚柔耦合模型 进行仿真计算，获得在美国铁路5 级谱的随机激扰下，车辆在速度为2 0 0 k m h ，直线和 曲线( r = 2 5 0 0 m ) 两种工况下的位移和加速度响应以及其他车辆动力学指标并获得了车 体振动较大部位的加速度功率谱密度分布，分析比较了对车体采取刚性体和弹性体两种 处理方法对振动性能的影响。 第五部分：介绍了车体动应力的计算方法，包括准静态应力法和瞬态动力学分析法， 阐述了文章为计算动应力所采用方法的理由；利用准静态应力法，通过有限元软件 a n s y s 和多体动力学软件s i m p a c k 的有机结合对车体危险位置进行动应力计算，获 得其在多种工况下的动应力时间历程。 1 3 2 论文的研究方法和流程 为了有效的进行车辆的多体动力学分析和仿真，必须建立合理的多体动力学模型， 流程图1 1 简要概述了多体动力学的建模和仿真过程。 人连交通大学t 学硕十学位论文 图1 1 论文研究方法和流程 f i g 1 1t h er e s e r c hm e t h o da n dp r o c e s s ( 1 ) 建模过程 刚体模型的建立：利用s i m p a c k 软件对机车整车系统进行多体动力学建模和仿真， 一方面建立车辆的全刚体模型，即在建立车体和转向架的有限元模型后读入其质量、重 心和转动惯量等物理参数和各结构尺寸参数后，在s i m p a c k 中建立模型，进行全刚体 多体动力学分析。 刚柔耦合模型的建立：在车辆多体动力学模型中将车体结构考虑成柔性体，即为了 研究车体在整车系统动力学仿真中的柔性影响，需要对车体结构有限元分析模型采用子 结构缩减技术，简化车体结构计算规模，并进行模态计算，然后通过接口程序f e m b s 生成标准输入文件( s i d ) ，将弹性数据整理成s i m p a c k 可读格式，这样就可以将车 辆多体动力学模型中的刚性车体替换成柔性车体，从而进行动力学分析。 6 第一章绪论 这里提到的f e m b s 是s i m a c k 和其他有限元代码之间的接口程序，它允许将有限 元分析的物理模型数据转化为标准代码，即将有限元模型的弹性体特性输入运动方程， 形成弹性体数据的标准输入数据文件( s i d ) 。 ( 2 ) 仿真过程 随机振动计算：对车体结构进行随机振动性能分析就需要建立适当的边界条件。本 文为多体动力学模型设置了两种线路，同时设置的轨道随机激励为美国轨道5 级谱，在 这种边界条件下对车辆进行动力学仿真，从而得到车体结构的随机振动性能。 动应力计算：在进行动应力计算时，文章选用准静态应力法进行动应力分析，具体 是从多体动力学仿真中，获得关键位置( 二系悬挂座处) 的动载荷历程。将单位载荷取 代结构外载荷，同方向和同位置旌加在结构部件对应的有限元模型节点位置上，分析后 获得危险节点位置对应的各载荷分量的结构应力影响系数( s i c ) 。然后将该应力影响 系数和动载荷历程相乘叠加求和，就可以获得结构危险位置的应力历程。 论文通过利用多体动力学和有限元法的有机结合，较为系统的研究车体结构随机振 动性能和动应力历程，此种方法可以有效的应用到车体结构设计的早期阶段，及时发现 车体结构各部位的随机振动性能和动应力较大的危险位置，极大提高车体结构设计的安 全性能。 本章小结 本章介绍了国内外研究车辆动力学的一些方法，特别是文献综述中主要阐述了利用 多体动力学和有限元的有效结合对部件进行动力学仿真分析的方法。这一章还对全文的 主要内容和进行研究的流程方法进行了详细阐述。 7 人连交通大学丁学硕+ 学位论文 第二章文章所用软件和相关理论 2 1 论文所用的软件介绍 由于本文进行车体随机振动特性及动应力分析需要多体动力学仿真和有限元法相 互结合进行研究，所以只有选择适合的多体动力学软件和有限元分析软件才能使仿真得 以顺利进行。 论文所进行的研究将选用多体动力学软件s i m p a c k 8 6 和有限元分析软件 a n s y s 5 7 进行模型的数据交换，之所以选择a n s y s 5 7 是因为在进行数据交换时， s i m p a c k 8 6 对与其接口的有限元程序有特殊的版本要求；另外，因为造型部分由于 a n s y s 5 7 的造型功能较其他有限元分析软件弱，所以在车辆结构造型时选用i - d e a s11 进行造型。 2 1 1 多体动力学软件s i m p a c k s i m p a c k 中w h e e l r a i l 模块是德国宇航中心( d l r ) 集2 0 多年轮轨接触模拟的 经验和现代先进的模拟技术及常用模拟工具于一体的技术结晶。由于s i m p a c k 自身开 放和非常灵活的建模概念，使s i m p a c k 软件可以支持任何设计思路，无论从单个车轮 还是到主动被动系统。并使用户将精力致力于所计划的创新开发工作上。s i m p a c k 轮 轨( w h e e l i 己撕1 ) 模块是s i m p a c k 软件的附加模块，用它可以对铁路系统动力学进行 仿真分析。s i m p a c k 软件具有的和f e a 、c a d 、c a e 软件的广泛接口，友好的操作界 面、强大和经过实验验证的轮轨接触建模以及著名的仿真精度和仿真效率，使s i m p a c k 作为多体系统仿真工具已成为铁路行业仿真领域的领导者。应用范围包括铁路( 火车) 、 公路( 汽车) ，控制、优化、有限元、符号运算等模块) ，利用s i m p a c k 软件，工程师 可以像构筑c a d 模型一样，快速建立机械系统和机电系统的的动力学模型，包含关节、 约束、各种外力或相互作用力，并自动形成其动力学方程，然后利用各种求解方式，如 时域积分，得到系统的动态特性；或频域分析，得到系统的固有模态及频率以及快速预 测复杂机械系统整机的运动学动力学性能和系统中各零部件所受载荷。 由于s i m p a c k 软件强大的运动学动力学分析功能，可建立任意复杂机械或机电系 统的虚拟样机模型，包括从简单的少数自由度系统到高度复杂的机械、机电系统( 如链 条、列车等) 。对用户来说，s i m p a c k 软件可以被应用到产品设计、开发、优化的任 何阶段。 s i m p a c k 具有的优点： ( 1 ) 全新的递归算法、相对坐标系以及子结构建模方法： 8 第二章文章所用软件和相关理论 ( 2 ) 快速、稳定、可靠的求解器； ( 3 ) 完善强大的碰撞建模和求解功能； ( 4 ) 独有的和控制分析软件( m a t l a b ) 双向的协同仿真技术； ( 5 ) 全参数化的机械系统和控制系统分析模型； ( 6 ) 独有的源代码输出功能； ( 7 ) 唯一可以进行多体系统实时仿真的技术； ( 8 ) 快速高效、优化的弹性体建模和求解器； ( 9 ) 独有的软件一体化技术，使专业模块和通用模块1 0 0 兼容； ( 1 0 ) 完整、安全可靠的数据库管理技术； ( 1 1 ) 专业标准化的数据结果处理技术； ( 1 2 ) 功能强大的专业化模块。 2 1 2 有限元分析软件i d e a s 进行有限元分析计算首先要建立计算模型，对于机车车辆结构来讲，结构比较复 杂。a n s y s 软件建模功能不是十分方便，所以在建模阶段选用i d e a s 软件， c a d c a e c a m 软件i - d e a s 是原s d r c ( s t r u c t u r a ld y n a m i c sr e s e a r c hc o r p o r a t i o n ) 公司 的产品，i - d e a sm a s t e r s e r i e s 是美国s d r c 公司自1 9 9 3 年推出的新一代机械设计自动 化软件，也是s d r c 公司c a d c a e c a m 领域的旗舰产品，并以其高度一体化、功能 强大、易学易用等特点而著称，它是s d r c 公司的拳头产品，技术领先，在机械、电子、 航空、航天、邮电、兵工、纺织等各行各业都有应用，是c a d 领域少有的顶尖“人物”， 如今的s d r c 已被并入e d s 公司。i - d e a s 软件是一套完全一体化的，面向二十一世纪 的解决方案。这套完整方案贯穿了从概念设计直到生产开发的全过程，涵盖了机械设计 自动化，产品数据管理，协同产品商务( c p c ) 以及工程资讯和实施服务等各方面。 i - d e a s 主要包括以下几大模块： ( 1 ) 工程设计( e n g i n e e r i n gd e s i g n ) 子模块； ( 2 ) 工程制图( d r a f t i n g ) 模块； ( 3 ) 制造( m a n u f a c t u r i n g ) 模块； ( 4 ) 有限元仿真( s i m u l a t i o n ) 模块； ( 5 ) 测试数据分析( t e s td a t aa n a l y s i s ) 模块； ( 6 ) 数据管理( d a t am a n a g e m e m ) 模块； ( 7 ) 几何数据交换( g e o m e t r yt r a n s l a t o r ) 模块； 9 大连交通大学t 学硕十学位论文 2 1 3 有限元分析软件a n s y s 选用a n s y s 作为文章进行有限元分析和子结构分析的软件是因为与s i m p a c k 接 口程序进行数据交换时s i m p a c k 对有限元软件的版本有特殊的要求。 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分 析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 公司开发。 它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r ，n a s t r a n ， a l o g o r , i - - d e a s ，a u t o c a d 等， 是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个实体建模及网格划分工具，用户可以以此来构造有限元模 型。 分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、 流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟 多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、 立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可将计 算结果以图表、曲线形式显示或输出。 软件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有 多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如p c ，s g i ，h p ， s u n ，d e c ，i b m ，c r a y 等。 2 2 相关理论介绍 2 2 1 有限元理论 有限单元法的基本思想是将物体离散成有限个且按一定方式相互联结在一起的单 元的组合，来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的 有限自由度问题求解的一种数值分析法。物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元 分析，最终得到对整个物体的分析。网格划分中每一个小的块体称为单元。确定单元形 状、单元之间相互联结的点称为结点。单元上结点处的结构内力为结点力。外力( 有集 中力、分布力等) 为结点载荷。下面将简要介绍有限元理论n 钔。 由虚功原理可知结构中任意有限元的运动微分方程式为： k 。】p j + 【c 。】p j + 陋。忙) = 也) ( 2 1 ) 1 0 第二章文章所j j 软件和相关理论 式中：陆j 是单元刚度矩阵；k 。】是单元质量矩阵；p 。】是单元阻尼矩阵；纯) 是单 元节点列向量。 单元刚度阵、质量阵和阻尼阵往往是在特定的局部坐标系统中描述的，不能直接用 于结构总刚度矩阵、总质量阵和总阻尼阵的装配，所以推导出总体坐标中的单元刚度阵、 质量阵、阻尼阵及外力列向量分别为： 阮卜p 】7 陆。例 陌。 _ 防 7 k 。p 】 e - - - - p 】7 k 。i t 】 瓴) = 旷】7 1 纯) p 】是单元出口节点位移向量在局部坐标系和整体坐标系之间的转换阵。 如此便可组装总刚度阵、质量阵、阻尼阵及节点力向量。假定结构有p 个单元，节 点位移总数为刀，结构总位移向量为p ) 对应的单元刚度阵阮】、质量阵陌。】、阻尼阵e 】 及节点力向量e ) 都扩展为刀维，分别记为眩。】、。】、匠】和 疋) ，则总体刚度阵医】、 质量阵阻】、阻尼阵【c 】及节点力向量俅) 可写为： 区】- k 。】 e = l 阻】- 。】 e = l 【c 】= 匠】 e = l 取) = 他) e = l 则整个结构体系的运动方程则可表达为 】p ) + 【c 】p ) + k 】 d ) = 忸) ( 2 2 ) 2 2 2 矩阵缩减理论 车体结构动力学平衡方程n 町为： m - i - c 矗+ k u = f( 2 3 ) 式中u 为位移矩阵，m 为质量矩阵，c 为阻尼矩阵，k 为刚度矩阵，f 为载荷矩阵。 大连交通人学1 丁学硕十学俯论文 将u 分为两部分u z 和u c ，u z 称为主自由度，l 】c 称为从自由度，设： u = t u ： ( 2 4 ) 式中t 为转换矩阵。 考虑静态情形： k u = f( 2 5 ) 假设主自由度为边界节点的m 个自由度，从自由度为内部节点的s 个自由度，则 式( 2 3 ) 分为两部分，变为矩阵形式： 竺糊= 6 ) 【- k 。k 。| 【“黜j【oj 式中， k 。，为主自由度m xm 冈l j 度矩阵，k 。为mxs 刚度矩阵，k 绷为8xm 刚度矩阵，k 。 为从自由度s x s 刚度矩阵，l 为作用于主自由度上的载荷矢量。 由式( 2 4 ) 第二式得到： ”珊= 一k 2 1 k 。u 劫 ( 2 7 ) 并由式( 2 2 ) ，( 2 3 ) 得到： 厂，0 z2 l k ：k 。i 2 8 ) 由式( 2 4 ) 第一式得到： k 肌用一k 。k ：足。k 册= l ( 2 9 ) 即转换后的刚度矩阵： k ：= k m m k m s k 三k 。= t t k t ( 2 1 0 ) g u y a n 应用相同的转换矩阵t 将其扩展到动力平衡方程( 2 1 ) 中的质量矩阵和 阻尼矩阵，即； m ：= t7 1 m t ；c ：= t t c t 新的动力平衡方程变为： m ：露：+ c ：z j ：+ k ：u ：= c ( 2 1 1 ) 其自由度比式( 2 1 ) 少。 由于g u y a n 缩减是基于( 2 2 ) 式的静态变换，因此需要满足一定条件才能消除误 差。 将式( 2 1 ) 变为矩阵形式： 1 2 第二章文章所用软件和相关理论 乏。- l s i , + 乏乏 髓) + 乏乏 恶) = 台) c 2 胞， 由上式第二式的： 村。= 一k ：阻。西册+ 肘。如+ c 。西册+ k ，脚“，】 ( 2 1 3 ) 对式( 2 5 ) 进行一次和二次微分，得： 矗。= - k 二l ks m 矗。，i i ，= 一k ：ks m jz m 代入式( 2 1 0 ) ，得到： 。：一k ：m 。一m 。1 k 。k ，+ 【c 堋+ 巳k ：k 。k 册+ k 。甜硎) ( 2 1 4 ) 要使g u y a n 缩减精确，需使式( 2 1 2 ) 与式( 2 1 0 ) 等价，即使u z 的一阶和二阶系 数为零，即： m 册= m 。k 二j k 。 ( 2 1 5 ) c 。= c 。k 2 k 。 ( 2 1 6 ) 式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 4 ) 的满足程度将直接取决于主自由度的选取情况。 2 2 2 多体动力学基本理论 对于复杂的机械系统进行运动学和动力学分析时需要建立其物理模型，也称为力学 模型，抽象的实质就是对系统进行定义，主要由物体、铰、外力( 偶) 和力元4 个要素 组成并具有一定拓扑构型的系统。下面介绍几个关于多体动力学的几个基本概念啪3 。 2 2 2 1 多体系统的基本概念 ( 1 ) 数学模型：分为静力学数学模型、运动学数学模型和动力学数学模型，是指 在相应条件下对系统物理模型( 力学模型) 的数学描述。 ( 2 ) 拓扑：多体系统中各物体的联系方式称为系统的拓扑构型，简称拓扑。根据 系