日本铁道车辆的研发

日本铁道车辆的研发

车辆的基础研究日本铁路全球技术研究所根据其基本计划re-re追踪2010年，将图1所示的三点视为主要工作目标：1。提高安全性；2.环境调整；降低成本；提高质量，按照三个主要分支建立研究主题，促进研发：未来的研发；促进实用技术的发展。基础研究。车辆技术也是在该基本方针的前提下进行研发的。不过,车辆技术的研究范围包括强度、材料特性、运动特性以及控制、舒适度及经济性等众多方面。有必要将这些问题加以平衡且有机地结合起来,来考虑如何提高车辆的安全性及性能。作为最新的车辆技术研究手法,正在推进包括仿真技术在内的利用计算机进行研究的科技方法。随着能实施运动解析的多体动力学软件的广泛使用,伴随较大变形的碰撞等现象也能根据数值计算模型来高精度地描述了。另一方面,结合实时仿真技术(利用与实际的物理现象相同的速度实施的仿真)与试验装置,让实物装置按照设想的运行状态运动的HILS(硬件在环仿真:HardwareIntheLoopSimulation,下文中简称HILS)系统的研究也在进行之中。本文介绍应用这些技术方法进行车辆研究的实例。1机构解析工具从汽车及铁道车辆等的机械系统来看,带有质量的许多零件要素,通过与弹簧及减振器等产生力的要素结合起来,形成相互关联的复杂结构。统一地推导这类要素的运动方程式、运用计算力学解析运动与力的方法就是多体动力学。应用了多体动力学的软件,自20世纪70年代起,就已经作为利用计算机进行机构解析的工具在市场上销售。近年来,更是推进了其应用,与三维CAD(三维计算机辅助设计)结合起来,作为设计开发的重要工具得到了广泛应用。图2表示利用多体动力学建立的摆式车辆的运行仿真模型实例。如该图所示,利用实际车辆的形象,来定义结构要素的几何学形状、质量等属性;要素间的结合方法(自由运动方向)等;结合要素的特性(弹簧特性系数、衰减系数等)。解析程序就是以这些数据为基础,推导车辆整体的运动方程式,再进行仿真计算。作为计算实例,上述摆式车辆通过曲线段时,作用在车体上的加速度的计算结果如图3所示。与利用人工计算推导运动方程式等程序的传统方式相比,该方法通过简单的步骤就能获得仿真模型,其优点在于可有效防止差错且省力。除上述实例外,还可应用于车辆的脱轨解析、导向机构的研究等车辆运动解析领域的各个方面,今后还将扩大其应用范围。2试验结果与分析从提高碰撞安全性的观点来看,把握碰撞时的车体变形状态非常重要。但铁道车辆的车体庞大,多次实施碰撞试验比较困难。因此,使用了有限元法(FEM)等,建立数值计算模型,通过与试验结果相对照,预测碰撞时的车体变形等,从而进行减轻乘客受伤害度的研究。以对车体侧面施加冲击载荷时的变形动态为研究实例,实施如图4所示的落锤试验,即使切削成圆板的锤体(载荷板)落到车体上以施加冲击的试验,并与利用FEM得出的数值计算结果做比较。该试验是在接受国土交通省的补助金的情况下,作为“关于提高车辆抗碰撞安全性的研究”的一项内容而实施的。图5表示碰撞80ms后试件的变形状况;图6表示在同等条件下,用FEM求出的变形状况。通过两者对比,发现FEM能很好地再现出变形形状。图7表示车体变形时作用载荷与时间的变化关系。计算结果大体与试验结果一致,但在30ms～50ms时发现了差异。这是因为在计算模型中,载荷板是以自由落下方式进行计算的,而试验装置从安全上考虑要求平行下落,因此在载荷板上增设了导向装置,这被认为是造成差异的原因。此外,由与本例相关的抗静负载的变形研究方面可知,固定车体外板的点焊强度对于变形形状有较大的影响。对于车辆与道岔口的碰撞,也在进行同样的研究,希望能通过计算对变形动态作出正确的预测,以提高车辆的抗碰撞安全性。3车辆特性评价系统因为铁道车辆的运行试验需要较长的运行区间,日本国内尚无试验线,几乎全在营业线上开展运行试验,所以在对商业运行不产生影响的条件下,运行次数及运行条件的设定方面存在很大制约。因此,日本铁道综合技术研究所利用混合仿真装置,在试验台上进行相应试验环境的开发,以便开展接近于实际运行的试验工作,下面对此作一介绍。本系统是以称为HILS的方法为基础来进行开发的(如图8所示)。作为评价对象的零件及车辆采用实物,其余的部分通过“实时仿真”模拟,以与实际物理现象相同的速度运动并产生联动,这是混合仿真的一种方法。例如,考虑“将新开发的空气弹簧内置到车辆中,并研究运行时的舒适度”的课题,首先用实时仿真装置模拟运行时的车辆运动,以三维方式计算出属于评价对象的空气弹簧的位移。其次,根据该空气弹簧的相对位移,正确地启动内置了作为评价用空气弹簧的激振试验装置。由于起动试验装置,空气弹簧上产生与位移及速度相对应的反力,用传感器测量该力,并用实时仿真装置将该力返回,作为计算下一步运动时的输入。这样一来,尽管不是物理上的车辆,也能模拟实际的空气弹簧运行时的特性了。从HILS系统来看,因为使用实物作为评价对象,所以有如下优点:不会出现对评价对象建模的误差,还有由于用软件模拟试验环境,试验项目的自由度较大。另一方面,为使该系统得以实现,需要进行以下大范围的技术开发:①可做到大规模实时仿真的高速运算;②具有通用性的实时仿真模型;③包含非线性的机器特性的自动建模方法;④能和现车一样应对多自由度的试验装置等。图9为铁道综合技术研究所正在开发的车辆特性评价系统的结构。该结构是用实时网络(保证设定时间内的数据传送的网络系统)连接实时仿真用计算机以及各个具有计算、判断能力的试验装置。在实时仿真过程中可知,轮轨间作用力的计算,如果不能在0.1ms～0.2ms左右的短周期内完成,则精度与稳定性便会变差。因为HILS系统必须进行与物理现象同步的运动计算,所以,不允许存在超出计算周期的延迟,故要求具备非常高速的计算。因此,建立了用多个CPU分摊实行计算的分散处理系统。该系统结构上由3个CPU核心协调处理1辆车的计算。目前,拥有进行4辆车的实时仿真的能力,如果与模拟相邻车辆运动的试验装置(车体间运动模拟装置)相结合,则可以在车辆试验上实现编组车辆运动的模拟。图10表示该试验状况。评价零部件在现车安装后性能的试验装置(空气弹簧试验装置、减振器试验装置),利用组合了6个作动器的称为斯图尔特(Stewart)型平台的多自由度激振机构,就能与仿真系统联动,进而再现与实体车辆相同的三维运动。该系统通过利用要素试验装置进行的试验鉴定表述被评价零件正确特性的计算模型(该步骤以下称为“鉴定”),并将该模型内置到仿真模型中,以提高精度。故而零件模型的鉴定精度与鉴定步骤的省力化就成为了重要的问题。因此开发了能自动建立表明试验对象输入输出关系的高精度模型的系统。其细节的内容将在本特集中的“高精度地建立铁道车辆的减振器模型”一文中描述,所以,这里只做概述。该方法采用称为“神经网络”的方法进行特性鉴定,利用模拟人体神经细胞运动的信息处理模型,对所提供的输入、输出数据(示教数据)之间的关系进行学习,并具备改变自身的功能,以便能高精度地预测待评价零件的响应。图11表示利用本方法进行特性鉴定的实例。普通的线性鉴定模型(ARX模型)中,可见到实测值与推测值之间的差异。而本模型(NN模型)中,实测值与推测值能较好地吻合。此外,如前所述的试验装置因为具备可以三维激振的功能,所以能完全求出对于三维激振的响应。图12是该鉴定结果实例,各轴的实测值与推测值均较好地吻合。另外,该系统的部分项目是获得国土交通省的补助金而实施开发的。4计算机仿真中象的研究。为了现代作为最近的车辆技术研究的发展趋势之一,上文介绍了计算机的高级应用,对于研