面向舒适性与安全性分析的轨道车辆数字样机研究

1、面向舒适性与安全性分析的轨道车辆数字样机研究一、立项依据与研究内容1、项目的立项依据轨道车辆（包括铁道车辆、地下铁道车辆、城市轻轨车辆等）是典型的高效、节能、环保型交通工具，在国内外被认为是最为重要的运输工具之一。轨道交通在我国交通运输中起着举足轻重的作用，并处于飞速发展之中。目前，我国有较为庞大的轨道车辆制造业，国内现役轨道车辆80%以上均由我国自行设计制造。轨道车辆设计开发属于复杂产品研制的范畴，产品研制成功与否取决于其多领域综合性能能否达到预定的指标，轨道车辆多领域性能主要包括：动力学性能、运行安全性能、乘坐舒适性、结构强度、疲劳寿命、可制造性和可维护性等1。由于轨道车辆产品的复杂性，多

2、领域的性能分析计算往往由不同单位或课题组完成，没有考虑相互的联系和影响，加上计算模型和计算方法互不相同、互不相通，导致分析计算结果不一致，并与实际工况存在较大差异2，大大影响了我国轨道车辆的设计开发水平和产品竞争力。面对经济全球化和激烈的市场竞争，各种数字化设计制造技术成为提升产品开发水平、保证产品质量、提高国际竞争力的重要技术手段。其中，虚拟样机技术就是其中杰出的代表，正受到日益广泛的重视。虚拟样机技术是一种以计算机模型代替真实物理样机的新型数字化设计技术，它是在CAX（如CAD、CAM、CAE等）和DFX（如DFA、DFM 等）技术基础上发展起来的，其融合了信息、制造和仿真等技术，可用于产

3、品全周期设计，能够模拟真实产品的外观、功能和行为。它允许工程师在计算机内对产品进行虚拟建模，并进行性能分析、测试和评估。这些活动可以灵活、并行地进行，从而代替物理样机进行试验，完成产品的快速研制，使产品的交货时间(T)、质量(Q)、成本(C)、服务(S)、环境(E)几要素达到最佳34。美国波音飞机公司的波音777飞机是世界上首架以无图纸方式研发和制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析均采用了虚拟样机技术5。这不但使研发周期大大缩短（其中制造周期缩短50%）、研发成本大大降低（如减少设计更改费用94%），而且确保了最终产品一次性接装成功。世界知名汽车公司如美国福特、通用、克莱斯勒，德国奥迪、B

4、MW、卡曼、保时捷，都纷纷开始研究与应用功能化虚拟样机技术6。各大汽车公司投入巨资构建集成化虚拟样机设计环境，进行概念设计、外形设计、可视化虚拟现实设计、整车性能仿真、重要零部件的优化设计和制造等。国外对虚拟样机技术商品化软件也已进行了大量的研究开发789，比较有影响的产品包括机械动力学公司(Mechanical Dynamics Inc)的ADAMS，CADSI的DADS以及德国航天局的SIMPACK。这些软件支持复杂机械系统运动学、动力学的分析计算，但一般不具备虚拟样机要求的所有功能。如ADAMS在几何建模方面就不如Pro/Engineer、UG、SolidWorks等，在结构分析分析方面

5、不如Ansys等，在控制系统分析方面不如Simulink等。为了建立能够进行多领域性能分析与仿真的虚拟样机系统，往往需要将多种CAX软件进行有机地融合。虚拟样机技术在轨道车辆的设计开发中也开始得到广泛应用。Schupp.G等10 指出虚拟样机将是轨道车辆设计开发最为重要的方式。美国通用动力公司1997年建成了第一个全数字化机车虚拟样机，并行地进行产品的设计、分析、制造及夹具、模具工装设计和可维修性设计11。Sharma等12在铁路集装箱平车的设计中采用Nucars和Adams/Rail进行了动力学分析仿真和结构有限元分析。德国西门子公司的A.Stribersky，F. Moser和 W. Ru

6、lka等13用SIMPACK等对地铁车辆进行了结构动力学和乘坐舒适性分析，通过建立车辆元件的模型数据库来加快虚拟样机的建模效率。王成国14采用CAD软件UG、有限元分析软件NASTRAN、车辆动力学仿真软件NUCARS、疲劳数值分析软件NASTRAN/Fatigue进行了铁道车辆虚拟样机技术的应用研究。阳光武，肖守讷等15利用多体系统动力学仿真软件SIMPACK进行了地铁车辆动载荷的分析计算，运用疲劳分析软件FE-FATIGUE预测构架的疲劳寿命。闫开印、张卫华等2进行了铁路机车车辆虚拟样机结构体系及相关技术的研究。马思群、谢素明、兆文忠等1617进行了基于PDM的铁路机车车辆虚拟样机集成框架

7、和数据协调的研究。虚拟样机是不同领域CAX/DFX模型、仿真模型与VR/可视化模型的有效集成。因此，实现虚拟样机的核心技术是如何对这些模型进行一致、有效的描述、组织、管理和协同运行718。虚拟样机多领域一体化模型可看作是产品几何、设计分析、仿真试验和虚拟表现的信息载体，能够为不同领域的应用提供相应的设计信息和分析仿真数据。不同的应用可以从虚拟样机模型描述中抽取出针对特定应用的模型数据，并据此对虚拟样机进行分析和评估。因此，虚拟样机多领域一体化建模的完整性、有效性及与CAX设计环境之间的集成度，对于虚拟样机技术的应用显得尤其重要。目前只有为数不多的方法支持跨领域建模719，主要分为键图(Bond

8、 Graph)、图论( Graph Theory)、多极点、标准建模语言和基于接口的多领域建模方法等。前四种方法独立于领域，支持自上而下的设计方法，适用于不同的应用，但很少有CAX分析仿真软件支持这些建模方法。基于接口的方法往往由某商品化CAX公司所私有，不具有标准性、开放性，而且扩充困难20。当采用的商用仿真软件数目超过3个时，基于接口的方法理论上要求的最大接口数目将变得非常庞大，复杂度增加，并且不支持分布式仿真。近年来，基于组件的模块化建模技术在复杂机电产品领域正在得到广泛的应用研究2122。借助这种技术，利用机电产品设计过程本身具有的逐层细化的演化特征，建立基于各个组件的单元模块仿真模型

9、，并使之相互连接组合，即可方便地构成整个系统的仿真模型。这种基于组件的模块化建模策略，将复杂系统建模的整体复杂性分解到各个组件上，可以较大地提高建模效率，同时也使得花费巨大精力构建的高度逼真的仿真模型具有重用性。国外方面，C. J. J. Paredis 和 A. Diaz-Calderon21等将机电系统中元件的CAD模型和行为结合为组件，使得设计人员能建立系统整体的描述和虚拟样机模型。S. C. Fok, W. Xiang 和 F. F. Yap22提出了一种基于特征组件模型的液压系统虚拟样机建模方法，根据液压系统的层次结构，将产品信息分解为行为、结构和产品属性。Gianni Ferret

10、ti, GianAntonio Magnani 和Paolo Rocco23应用建模语言Modelica和建模工具DYMOLA 开展了机电系统虚拟样机建模的研究，并针对加工中心进行了建模实践。国内方面，赵雯,王维平等24采用可分析产品模型理论、工程数据模型理论和集合论方法，建立了一种基于VIM形式化的虚拟样机模型描述方法。陈晓波，熊光楞等2025针对基于接口的多领域建模方法的不足，采用基于HLA的多领域建模方法实施各仿真分析工具软件的动态数据交换和协同运行。王鹏，李伯虎等26对复杂产品虚拟样机协同仿真建模中的建模规范和高层建模技术进行了讨论。黎国华、熊会元27采用组件技术和三维引擎ACIS进行

11、了机械系统虚拟样机的几何构件、约束和载荷的可视化建模的研究。张卫、陆宝春等19提出了基于一种图论和UML相结合的多领域虚拟样机混合建模方法。针对铁道车辆车辆动力学性能的分析计算，沈钢、胡用生、陆正刚等2829研究了用Simulink 软件以图形化方法、面向对象方法建立机车车辆动力学计算模型。丁国富、翟婉明等3031进行了机车车辆动力学计算模型可视化方面的研究，建立了基于面向对象的机车车辆轨道耦合模型及相应的模型解释和标识机制，并构造了车辆轨道耦合动力学仿真环境。目前，轨道车辆的设计较为普遍地都采用三维CAD软件和多种CAE分析计算工具软件。为了实现轨道车辆多领域虚拟样机性能分析与仿真，就需要建

12、立能够准确表达轨道车辆设计信息和多领域分析仿真行为的虚拟样机集成模型，并在分布式网络环境下实现相关信息共享和各领域CAX软件的协同运行，这将是实现完整、有效、准确的轨道车辆虚拟样机的重要保证。大量的文献研究表明：目前国内外在轨道车辆多领域虚拟样机建模方面的研究工作尚为空白。本项目根据轨道车辆的设计开发特点和虚拟样机要求，研究轨道车辆多领域（车辆动力学分析、乘坐舒适性分析、结构强度分析、疲劳寿命分析、可制造性分析）虚拟样机一体化建模方法和技术，支持分布式网络环境下轨道车辆CAX设计信息及分析仿真信息的共享，从而为构建具有较高分析仿真效率和可信度的轨道车辆虚拟样机系统提供强大的技术支撑。2、项目的

13、研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题研究内容：(1) 轨道车辆服役环境建模和服役响应建模研究根据不同类型轨道车辆的构造特点、载荷工况和多领域分析计算要求，研究具有普遍意义的轨道车辆服役环境模型和服役响应模型。车辆服役环境模型用于描述轨道车辆运行工况下承受的各种载荷，能较好地表达：作用在车体上的垂向静载荷、垂向动载荷、侧向力、纵向力、扭转载荷、车体外部空气载荷等；作用在转向架上的垂向静载荷、垂向动载荷、制动载荷等；作用在轮对上的踏面蠕滑力、轮缘蠕滑力、轮轨正压力等。服役响应模型用于描述轨道车辆的分析仿真结果，能较好地表达：反映车辆动力学行为的随机响应、瞬态响应；反映车辆运行品质和乘坐舒适性的

14、垂向和横向加速度、平稳性指数、曲线通过性能；反映车辆运行安全性能的抗脱轨和抗倾覆稳定性；反映车辆空气动力学性能的空气阻力系数等；反映车辆结构强度和疲劳寿命的图表等。(2) 面向轨道车辆虚拟样机的轨道车辆模型库构造研究研究轨道车辆虚拟样机模型库的构造模式和结构框架，为快速建立轨道车辆虚拟样机模型提供支持。轨道车辆主要由: 轮对、轴箱、构架、车体、悬挂系统和轮轨接触系统等部件构成，而每个部件又由若干个元件组成。轨道车辆模型库构造上考虑：能准确表达元件与部件的层次关系；存储轨道车辆元件和部件的三维几何模型、虚拟表现模型、材料性能参数、尺寸数据及多领域分析计算所需的各种性能基本数据；支持轨道车辆部件及

15、其元件的快速查询、浏览和修改；支持轨道车辆新元件或部件的扩充；支持零部件体积、重心和惯性量等的自动获取。(3) 轨道车辆多领域虚拟样机高层建模与底层描述方法研究采用组件建模技术、UML（Uniform Modeling Language）和HLA（High Level Architecture）建模技术，研究轨道车辆虚拟样机高层建模方法。利用轨道车辆产品本身具有的逐层细化的演化特征，研究轨道车辆元组件建模和复合组件建模方法。元组件模型包括轨道车辆基本组件的几何属性、约束参数、接口参数、功能模型、几何模型和行为模型等。复合组件模型用于描述复合组件的结构和基本属性，包括：组件间的连接关系、复合组件

16、的属性参数、功能模型、几何模型和行为模型等。元组件模型和复合组件中的属性数据从轨道车辆模型库抽取，行为模型从轨道车辆的服役环境模型和服役响应模型中提取并进行封装。研究轨道车辆多领域虚拟样机模型底层描述、信息共享和协同运行的方法和技术。为解决轨道车辆多领域模拟样机分布性、协同性和异构性问题，拟采用XML语言对虚拟样机模型进行底层具体描述。采用基于XML 和XML Schema 定义模型的互操作语法和语义，研究轨道车辆虚拟样机高层模型向底层XML描述模型进行映射的方法和技术，实现分布式网络环境下基于轨道车辆虚拟样机一体化模型的信息共享、集成与协同运行。(4) 基于分布式网络环境的轨道车辆虚拟样机模

17、型定义与可视化方法研究根据轨道车辆虚拟样机分布、协同建模的需要，研究基于分布式网络环境的轨道车辆多领域虚拟样机模型可视化定义与显示方法。其中，虚拟样机模型定义方法支持：基于元件的轨道车辆部件结构定义、基于部件的轨道车辆产品结构定义、车体载荷定义、转向架载荷定义、轮对载荷定义。虚拟样机模型可视化显示方法支持轨道车辆虚拟样机模型的可视化显示，具体包括：分布式网络环境下轨道车辆产品及部件结构树的可视化显示、元件的三维可视化显示与动态浏览、部件的三维可视化显示与动态浏览、轨道车辆载荷的可视化显示、轨道车辆多领域分析计算结果的可视化显示，进而在可视化环境下支持轨道车辆零、部件可制造性和可维修性的评价。(

18、5) 轨道车辆多领域虚拟样机模型与CAE工具软件的集成方法研究研究轨道车辆多领域虚拟样机一体化模型与多领域CAE分析工具软件进行无缝集成的方法，实现数据双向的动态映射、转换和生成，轨道车辆虚拟样机XML模型为CAE工具软件提供必要的分析数据，各领域的CAE工具软件向轨道车辆虚拟样机XML模型提供必要的分析仿真结果。具体包括：轨道车辆虚拟样机一体化模型与多体动力学计算软件的数据交换、轨道车辆虚拟样机一体化模型与有限分析软件的数据交换、轨道车辆虚拟样机一体化模型与疲劳分析软件的数据交换等。研究目标：本研究根据轨道车辆的设计开发特点和虚拟样机要求，研究轨道车辆多领域（车辆动力学分析、乘坐舒适性分析、

19、结构强度分析、疲劳寿命分析、可制造性分析）虚拟样机一体化建模方法和技术。在分布式网络环境下轨道车辆虚拟样机一体化模型能与多领域分析计算软件有机融合，从根本上解决轨道车辆分析手段比较片面、分析结果不统一的缺陷，从而大大提高轨道车辆多领域性能分析仿真的效率和可信度。本研究将为构建轨道车辆多领域虚拟样机系统提供一套完整有效的理论、方法和技术支持，进而支持概念设计、方案论证、设计验证和整机性能虚拟试验。拟解决的关键问题：(1) 可扩充轨道车辆模型库的数据组织形式与管理方法(2) 轨道车辆服役环境和服役响应模型在轨道车辆虚拟样机一体化模型中的表达形式(3) 网络环境下轨道车辆虚拟样机一体化模型的动态管理

20、与控制机制(4) 网络环境下轨道车辆工况载荷定义的模式及多领域分析仿真结果的可视化显示(5) 轨道车辆多领域虚拟样机一体化模型与CAE工具软件的集成模式(6) 轨道车辆多领域虚拟样机高层模型向底层XML模型进行映射的方法3、拟采取的研究方案及可行性分析研究方法及技术路线：(1) 根据各类轨道车辆结构强度分析、车辆动力学分析、乘坐舒适性分析、疲劳寿命分析的分析计算要求，结合轮轨相互作用的有关理论成果，研究轨道车辆各种工况和载荷的定义方法，建立具有普遍意义的轨道车辆服役环境理论模型。(2) 分析各类轨道车辆结构强度分析、车辆动力学分析、乘坐舒适性分析、疲劳寿命分析的计算方法，分析比较各领域CAE分

21、析仿真工具软件的输出形式，研究轨道车辆各领域分析仿真结果的表达方法，建立具有普遍意义的轨道车辆服役响应理论模型。(3) 分析各类轨道车辆的结构和性能特点，在网络数据库及其后台关联技术、图形数据库技术、参数化设计技术的支持下，开展轨道车辆虚拟样机模型库构造方法的研究。开展基于三维CAD模型的重要几何参数和惯量参数自动获取方法的研究。(4) 采用组件建模技术、UML和HLA建模技术，开展轨道车辆多领域虚拟样机高层建模方法的研究。采用XML技术，进行轨道车辆多领域虚拟样机一体化模型底层描述方法的研究。(5) 采用远程数据库访问、网络图形浏览、虚拟场景构造和XML技术，开展分布式网络环境下的轨道车辆虚

22、拟样机模型可视化定义与浏览方法的研究。(6) 运用HLA体系结构和相关技术，开展轨道车辆虚拟样机模型与多领域的CAE分析工具软件集成方法的研究。(7) 在分布式网络环境和有关CAD、CAE工具软件的支持下，开展轨道车辆多领域虚拟样机一体化建模方法和技术的实验验证研究。实验方案及可行性分析：在大量的文献阅读、调查研究的基础上，设计本项目的总体研究方案，保证研究方案的先进性。在具体的研究过程中，通过理论研究、实验验证保证研究的正确性、可靠性和有效性。在三维CAD软件Pro/Engineer、UG、SolidWorks和网络数据库管理软件MySQL或SQL Server 的支持下，进行轨道车辆虚拟样机模型库构造方法的研究验证。在面向对象建模语言UML及建模工具软件、HLA及建模工具软件的支持下，进行轨道车辆虚拟样机高层建模方法的研究验证。在XML技术和网络浏览软件的支持下，进行轨道车辆虚拟样机底层描述方法的验证。在分布式网络环境