軌道車輛虛擬設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái)開發(fā)研究

1 引言

軌道車輛特別是地鐵、高速客車和動(dòng)車組是一個(gè)機(jī)、電、控制一體化和信息技術(shù)相結(jié)合的高新技術(shù)產(chǎn)品。集成度高、復(fù)雜程度大，從概念、技術(shù)設(shè)計(jì)、零部件試驗(yàn)、整車裝配和性能測(cè)試（包括動(dòng)力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、牽引控制系統(tǒng)、制動(dòng)安全性能、零部件可靠性和疲勞壽命等）到較終產(chǎn)品的確認(rèn)全過程開發(fā)周期長、試驗(yàn)成本巨大，運(yùn)用性能優(yōu)劣、零部件疲勞、結(jié)構(gòu)可靠性和防治更需要長時(shí)間的數(shù)據(jù)積累，因此從降低新產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和成本、縮短研發(fā)周期等方面來看，對(duì)于軌道車輛這樣復(fù)雜的機(jī)電控制一體化的系統(tǒng)更適合采用虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)（VPD）技術(shù)進(jìn)行新產(chǎn)品的全過程集成開發(fā)和信息共享。

隨著CAD、CAE和CAT技術(shù)的不斷成熟，當(dāng)前國內(nèi)外軌道交通車輛的研究工作重心已經(jīng)逐漸由早期的物理模型研究向計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)計(jì)和仿真轉(zhuǎn)移。目前，車輛部件級(jí)的計(jì)算機(jī)模型真已經(jīng)日趨成熟，然而，隨著設(shè)計(jì)手段的不斷發(fā)展，不論國內(nèi)國外，都面臨很多不可回避的問題：部件級(jí)模型相互關(guān)系松散；部件級(jí)模型較優(yōu)難以保證總體較優(yōu)；各學(xué)科獨(dú)立設(shè)計(jì)、難以協(xié)調(diào)；設(shè)計(jì)流程規(guī)范不統(tǒng)一、存在隨意性；難以確定產(chǎn)品性能瓶頸點(diǎn)；CAD、CAE和CAT數(shù)據(jù)流沒有得到很好的整合，三方面的數(shù)據(jù)存在一定的相互孤立性，計(jì)算機(jī)輔助工具（CAX）在車輛設(shè)計(jì)中的作用沒有得到完全的發(fā)揮等……，這些問題不是剛剛出現(xiàn)，而是一直存在于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的。但在發(fā)展早期，設(shè)計(jì)人員更多關(guān)注的是如何通過減少物理模型實(shí)驗(yàn)數(shù)量來獲得設(shè)計(jì)效率的提高，如采用各種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。當(dāng)前CAD/CAE技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，工程模擬已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，CAT也逐漸發(fā)揮作用，物理模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)量已經(jīng)大大壓縮。如何提高CAD/CAE/CAT的應(yīng)用水平，協(xié)調(diào)眾多的CAD/CAE/CAT模型和數(shù)據(jù)，使CAD/CAE/CAT為車輛總體性能的提高做出更大的貢獻(xiàn)，成為軌道車輛設(shè)計(jì)新的發(fā)展方向，因此實(shí)用化的“虛擬樣機(jī)”技術(shù)呼之欲出。
 
基于上述行業(yè)的實(shí)際，本文的研究以建立一個(gè)適合我國城市軌道車輛研制的CAD/CAE/CAT軟件集成平臺(tái)為總體目標(biāo)，在這個(gè)集成平臺(tái)上，通過對(duì)專業(yè)化和系列化的軟件及其應(yīng)用過程、數(shù)據(jù)的集成，導(dǎo)通設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)等核心環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)從目標(biāo)設(shè)定、方案設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化、零部件和整個(gè)產(chǎn)品性能模擬、虛擬試驗(yàn)到較終產(chǎn)品性能確定的全過程研發(fā)，建立相應(yīng)的研發(fā)網(wǎng)絡(luò)、設(shè)計(jì)分析試驗(yàn)流程和規(guī)范，提高車輛數(shù)字化設(shè)計(jì)制造管理的效率和能力。整合CAD/CAE/CAT軟件的支撐數(shù)據(jù)庫，將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PDM）、仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（SDM）和試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（TDM）的數(shù)據(jù)庫集成，使之形成統(tǒng)一的整體車輛數(shù)字化工程研發(fā)知識(shí)庫，從流程、規(guī)范和數(shù)據(jù)庫三方面著手，提升自主創(chuàng)新能力，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)整體要求，首先完成SDM平臺(tái)建設(shè)，即軌道車輛虛擬設(shè)計(jì)和數(shù)字化仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)。該平臺(tái)作為城市軌道交通車輛數(shù)字化工程研發(fā)的基礎(chǔ)平臺(tái)，較終將擔(dān)負(fù)起企業(yè)的CAD/CAE/ACT集成要求，實(shí)現(xiàn)企業(yè)PDM、SDM和TDM流程數(shù)據(jù)的管理，因此在平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合了未來企業(yè)信息化發(fā)展的趨勢(shì)，具有以下特點(diǎn)和要求：

1. 基于分布式構(gòu)架和操作系統(tǒng)的先進(jìn)性。采用標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)器，可在Windows、Unix、Linux的異構(gòu)硬件平臺(tái)上運(yùn)行，保證協(xié)同研發(fā)。需要訪問的數(shù)據(jù)資源和應(yīng)用系統(tǒng)也同樣存在于不同的軟硬件環(huán)境中。
2. 開放性。系統(tǒng)不僅能滿足現(xiàn)有軟件的集成，而且有集成后續(xù)的工程應(yīng)用軟件的能力，包括各種所需的商業(yè)和自行研制軟件，具有高度的擴(kuò)展能力和持續(xù)發(fā)展能力。
3. 直觀性。友好的人－機(jī)界面、簡便快捷的操作方式和豐富的圖形化顯示功能，滿足不同技術(shù)人員工程應(yīng)用需要。
4. 標(biāo)準(zhǔn)化。重視設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、參考數(shù)據(jù)與歷史成果的數(shù)據(jù)庫建立、管理和應(yīng)用，提高系統(tǒng)數(shù)字化工程研發(fā)的成熟度。

2 軌道車輛虛擬設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

2.1 專業(yè)功能模塊設(shè)計(jì)

虛擬設(shè)計(jì)和數(shù)字化仿真平臺(tái)是虛擬產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)的核心，主要支持各種新產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計(jì)中不同層次、不同領(lǐng)域的性能仿真，從而對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行全面的分析。根據(jù)軌道車輛的特點(diǎn)，平臺(tái)總體設(shè)計(jì)時(shí)分為零部件、車輛系統(tǒng)和列車系統(tǒng)三個(gè)主要等級(jí)，根據(jù)各自仿真分析的不同需求，設(shè)計(jì)不同的模塊完成相關(guān)的數(shù)字化設(shè)計(jì)、多學(xué)科聯(lián)合仿真分析和虛擬試驗(yàn)等功能。

在零部件級(jí)的仿真分析中包含三維數(shù)字化建模、有限元分析（FEA）、模態(tài)分析、碰撞分析、疲勞分析和虛擬試驗(yàn)等模塊。在車輛系統(tǒng)級(jí)仿真分析中包含三維裝配、輪軌磨耗分析、動(dòng)力學(xué)分析、聲場(chǎng)/噪聲分析、空調(diào)和熱濕環(huán)境分析、被動(dòng)安全分析、運(yùn)行試驗(yàn)等模塊。在列車級(jí)的仿真分析中包括牽引仿真分析、制動(dòng)系統(tǒng)仿真和列車縱向動(dòng)力學(xué)仿真分析等模塊。

2.2 平臺(tái)組織架構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)由基礎(chǔ)框架和功能框架兩部分組成。根據(jù)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)要求，我們選擇MSC公司的SimManager作為平臺(tái)仿真管理的基礎(chǔ)框架軟件，以SimManager為基礎(chǔ)框架建立的數(shù)字化仿真管理平臺(tái)，提供模板服務(wù)、應(yīng)用軟件集成、數(shù)據(jù)集成、系統(tǒng)服務(wù)等功能，并提供系統(tǒng)安全服務(wù)，包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和終端、數(shù)據(jù)服務(wù)器等。可以通過網(wǎng)絡(luò)門戶構(gòu)建基于不同操作系統(tǒng)的異地協(xié)同仿真平臺(tái)；可以通過模型樹、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次構(gòu)建開放式的多學(xué)科仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)專業(yè)自主研發(fā)的仿真軟件和商用軟件的集成，完成FEA、動(dòng)力學(xué)、碰撞、疲勞和非線性有限元分析等功能；可以通過項(xiàng)目管理（PM）和人員權(quán)限管理方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)字化樣機(jī)的項(xiàng)目管理，基本上可以滿足軌道車輛虛擬設(shè)計(jì)和數(shù)字化仿真平臺(tái)的要求，如圖2所示。

圖1 平臺(tái)的組織架構(gòu)示意圖

功能框架包括基于瀏覽器的，分布協(xié)同式系統(tǒng)的較佳實(shí)現(xiàn)方式；基于標(biāo)準(zhǔn)化、模板化的快速模型構(gòu)建；基于多學(xué)科聯(lián)合仿真的流程模塊構(gòu)建與集成；基于標(biāo)準(zhǔn)化、模板化、客戶化的報(bào)告生成器； 基于譜系關(guān)系的數(shù)據(jù)關(guān)系自動(dòng)記錄和生成及任一步的前后追溯和復(fù)雜的數(shù)據(jù)查詢；基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫Oracle等的源數(shù)據(jù)關(guān)系存貯和管理；方便、靈活的項(xiàng)目管理等。

2.3 用戶界面

平臺(tái)用戶界面用于接收用戶指令、反饋系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果。該平臺(tái)的用戶界面具有如下特征：1)提供基于Web的標(biāo)準(zhǔn)用戶界面，可通過配置滿足異地用戶的不同需求；2)提供樹狀結(jié)構(gòu)瀏覽器和工作臺(tái)，用戶可方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽、排序和過濾；3)可以動(dòng)態(tài)地提供仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)從屬關(guān)系信息；4)提供一個(gè)定制化的框架從而可以簡易創(chuàng)建基于特定客戶的設(shè)計(jì)分析流程；5)通過基于Web的基礎(chǔ)架構(gòu)管理用戶（驗(yàn)證和授權(quán)）和所有請(qǐng)求；6)通過更改設(shè)計(jì)參數(shù)快速執(zhí)行不同產(chǎn)品配置的評(píng)估方法；7)提供與企業(yè)其它數(shù)據(jù)交換機(jī)制和接口，見圖2。

 
a）用戶注冊(cè)界面                        b）樹狀結(jié)構(gòu)瀏覽器功能界面
圖2 用戶界面

3 主要功能模塊開發(fā)

城市軌道車輛虛擬設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái)將主要完成零部件、車輛系統(tǒng)和列車系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)字化設(shè)計(jì)、多學(xué)科聯(lián)合仿真分析和虛擬試驗(yàn)等功能，在研究過程中，對(duì)主要CAE分析過程進(jìn)行流程標(biāo)準(zhǔn)化定義，建立相應(yīng)的基準(zhǔn)框架，并在平臺(tái)上進(jìn)行集成封裝，這些流程和分析軟件可以是商用的，也可以是自行開發(fā)的。在此以城市軌道交通車輛模型為例，對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)分析模塊（包括剛體模態(tài)分析，運(yùn)行穩(wěn)定性和參數(shù)優(yōu)化、運(yùn)行平穩(wěn)性和參數(shù)優(yōu)、輪軌磨耗和曲線運(yùn)行安全性分析及優(yōu)化等）、列車運(yùn)行仿真分析模塊、零部件強(qiáng)度和模態(tài)分析模塊以及零部件疲勞分析模塊的開發(fā)，主要流程設(shè)計(jì)說明如下。

3.1 車輛動(dòng)力學(xué)分析模塊

車輛動(dòng)力學(xué)仿真分析模塊是在ADAMS/Rail環(huán)境下，建立標(biāo)準(zhǔn)的四軸城軌車輛全參數(shù)化模型，按照用戶要求，自動(dòng)完成從車輛系統(tǒng)剛體振型分析，運(yùn)行穩(wěn)定性和參數(shù)優(yōu)化、運(yùn)行平穩(wěn)性和參數(shù)優(yōu)化和曲線運(yùn)行安全性等相關(guān)分析后，輸出相關(guān)結(jié)果數(shù)據(jù)文件、圖表、曲線和動(dòng)畫等，根據(jù)不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，形成標(biāo)準(zhǔn)的仿真分析報(bào)告，同時(shí)完成關(guān)鍵懸掛參數(shù)的優(yōu)化功能。在Windows環(huán)境下，進(jìn)行輪軌磨耗分析，如建立全參數(shù)化車輛多體動(dòng)力學(xué)模型，通過建立參數(shù)化轉(zhuǎn)向架模板和車體模板，同時(shí)可以輸入柔性車體或構(gòu)架模態(tài)數(shù)據(jù)，建立全參數(shù)化的車輛柔剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，所有設(shè)計(jì)參數(shù)可以通過用戶界面交互式輸入、參數(shù)文件輸入或特征曲線輸入等不同方式，實(shí)現(xiàn)單一參數(shù)或多參數(shù)的多方案優(yōu)化比較。設(shè)計(jì)流程見圖3。其他功能包括：輪軌接觸和磨耗分析；運(yùn)行穩(wěn)定性分析；運(yùn)行平穩(wěn)性分析和曲線性能分析。

圖3 全參數(shù)化動(dòng)力學(xué)模型流程

3.2 列車牽引和運(yùn)行仿真分析模塊

列車牽引和運(yùn)行仿真分析模塊是在ADAMS/Rail和MATLAB/Simulink環(huán)境下，通過城軌車輛（列車）在牽引（制動(dòng)）過程中的走行部機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能的一體化聯(lián)合仿真，來研究車輛機(jī)械系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)在該工況下的綜合動(dòng)力學(xué)性能、相互作用和影響，為列車運(yùn)行控制提供基本的仿真分析模型，如圖4。在功能上，該模塊可實(shí)現(xiàn)在不同粘著（蠕滑）條件下的輪軌相互作用、轉(zhuǎn)向架及主要零部件的動(dòng)態(tài)載荷、車輛（列車）縱向動(dòng)力學(xué)、電機(jī)特性、牽引和運(yùn)行等功能的仿真分析。該模塊為城市軌道交通車輛虛擬設(shè)計(jì)和仿真分析平臺(tái)核心模塊之一，提供良好的人機(jī)界面和可視化操作，實(shí)現(xiàn)與牽引（制動(dòng)）運(yùn)行相關(guān)的各種參數(shù)輸入和選擇，通過曲線、圖表、動(dòng)畫等多種型式輸出仿真結(jié)果。

圖4 列車牽引和運(yùn)行仿真模型流程

3.3 零部件強(qiáng)度和模態(tài)分析模塊

該功能模塊是應(yīng)用三維模型（CAD）、材料庫、載荷庫和有限元分析（FEA）、等不同領(lǐng)域的組合分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)到軌道車輛系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度計(jì)算。在MSC.PATAN環(huán)境下，建立車體承載結(jié)構(gòu)的有限元模型，按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，結(jié)合車輛的一些參數(shù)，自動(dòng)施加載荷，根據(jù)一定的工況組合在NASTRAN中完成應(yīng)力、變形、結(jié)構(gòu)模態(tài)等相關(guān)分析后，輸出相關(guān)結(jié)果數(shù)據(jù)文件、圖表、曲線和動(dòng)畫等，形成標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告。

3.4零部件疲勞分析模塊

該功能模塊是應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)仿真（MBS）、有限元分析（FEA）、模態(tài)分析（Modal Analysis）、疲勞壽命計(jì)算(Fatigue Analysis)等不同學(xué)科的聯(lián)合仿真分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)到軌道車輛系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命計(jì)算。是車輛多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、有限元模型、材料性能庫等不同模型之間，動(dòng)力學(xué)分析軟件（ADAMS/Rail、Matlab/Simulink等）,有限元分析軟件（Nastran、Ansys）、疲勞分析軟件（Fatigue）等不同軟件之間交互和數(shù)據(jù)傳遞的集成，設(shè)計(jì)人員對(duì)零部件結(jié)構(gòu)的或材料的任何修改，客戶端用戶執(zhí)行應(yīng)用該模塊后，將實(shí)現(xiàn)零部件結(jié)構(gòu)有限元模型、模態(tài)信息、車輛多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、材料模型庫等方面的相應(yīng)修改，完成上述相關(guān)領(lǐng)域的分析，較終計(jì)算出零部件的相應(yīng)疲勞載荷譜、壽命等。同時(shí)給出在測(cè)試獲得的試驗(yàn)載荷譜下，零部件疲勞壽命的計(jì)算功能以及仿真分析和試驗(yàn)比較驗(yàn)證功能。

4 總結(jié)

通過本文的研究，初步開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軌道車輛虛擬設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái)管理系統(tǒng)，一方面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目、產(chǎn)品、設(shè)計(jì)和仿真等不同領(lǐng)域多學(xué)科的數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用，完成了各專業(yè)模塊的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了軌道車輛CAE專業(yè)分析功能及數(shù)據(jù)集成，這些功能模塊的集成系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。同時(shí)系統(tǒng)管理程序、軟件接口、工作模式和開發(fā)方法等可以移植或引用到其他軌道交通車輛系統(tǒng)（如磁浮交通、輕軌交通）的研制工作中。以實(shí)現(xiàn)打通各應(yīng)用環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)流和減少大量的重復(fù)性工作的目標(biāo)。下一步將不斷開發(fā)其他專業(yè)仿真模塊，逐步完善軌道車輛虛擬產(chǎn)品開發(fā)的數(shù)字化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)、產(chǎn)品創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)合理的較終目標(biāo)。

相關(guān)閱讀:

• ...2016/07/25 11:18·福伊特?cái)y軌道車輛新部件亮相2016德國柏林國際軌道交通技術(shù)展覽會(huì)（InnoTrans）
• ...2009/10/12 13:29·中國南車軌道車輛技術(shù)研發(fā)中心落戶上海