【摘　要】　针对城市轨道车辆集成度高、结构复杂、开发周期长、试验成本巨大等特点,提出了应用虚拟产品开发技术,构建基于异地网络的分布式计算和协同设计的城市轨道车辆多学科数字化仿真分析和数据管理平台。该平台实现了车辆主要零部件、整车和列车系统的相关数字化设计、性能仿真和虚拟试验等分析研究工作,为城市轨道车辆产品设计人员提供易于操作的专业化CAE集成仿真分析和数据管理工具,可缩短产品设计周期、降低开发成本、提高产品竞争力。

【关键词】　城市轨道交通;车辆设计;虚拟产品开发;仿真设计;数据管理平台

 

1、概述

      城市轨道交通车辆是一个机、电、控制一体化和信息技术相结合的高新技术产品,集成度高、复杂程度大。从概念、技术设计、零部件试验、整车装配性能测试(包括动力学性能、结构强度、牵引控制系统、制动安全性能、零部件可靠性和疲劳寿命等)到最终产品的确认,全过程开发周期长、试验成本巨大;而运用性能优劣、零部件疲劳、结构可靠性和防治等更需要长时间的数据积累。因此,从降低新产品开发风险和成本、缩短研发周期等方面来看,它更适合采用虚拟产品开发(VPD)技术进行新产品的全过程集成开发和信息共享。

      随着计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)和计算机辅助试验(CAT)技术的不断成熟,当前国内外城市轨道交通车辆的研究工作重心已经逐渐由早期的物理模型研究向计算机虚拟设计转移。目前,车辆部件级的计算机模型已经日趋成熟,然而,随着设计手段的不断发展,在产品设计中仍存在很多不可回避的问题:部件级模型相互关系松散;部件级模型最优难以保证总体最优;各学科独立设计、难以协调;设计流程规范不统一,存在随意性;难以确定产品性能瓶颈点; CAD、CAE和CAT数据流没有得到很好的整合,三方面的数据存在一定的相互孤立性,计算机辅助工具(CAX)在车辆设计中的作用没有得到完全发挥;等等。如何提高CAD、CAE、CAT的应用水平,协调众多的CAD、CAE、CAT模型和数据,使设计工程师在设计阶段能够预测和评估设计结果,成为轨道交通车辆设计新的发展方向。

      本文的研究以建立一个适合我国城市轨道交通车辆研制的CAD、CAE、CAT软件集成平台为总体目标。在这个集成平台上,通过对专业化和系列化的软件及其应用过程、数据集成,以及导通设计、分析、试验等核心环节数据流实现从方案设计、参数优化、性能模拟、虚拟试验的全过程研发,建立相应的研发网络、设计分析试验流程和规范,提高车辆数字化设计、分析和管理的效率和能力。整合CAD、CAE、CAT软件的支撑数据库,将设计数据管理系统(PDM)、仿真数据管理系统(SDM)和试验数据管理系统(TDM)的数据库集成,使之形成统一的整体车辆数字化工程研发知识库,提升自主创新能力,缩短产品研发周期,降低开发成本,提高产品质量。根据整体要求,首先完成数字化仿真分析和数据管理平台的设计。该平台作为城市轨道交通车辆数字化工程研发的基础平台,最终将担负起企业的CAD、CAE、CAT集成要求,实现企业PDM、SDM和TDM流程数据的管理。

2、仿真分析和数据管理平台总体设计

2.1 平台总体要求

      为了适应未来企业信息化发展的趋势和要求,对仿真平台设计提出了以下要求。

      (1)基于分布式构架和不同操作系统的先进性:基于分布式构架、采用标准的Web服务器,可在Windows、Unix、Linux的异构硬件平台上运行,保证协同研发。

      (2)开放性:系统不仅能满足现有软件的集成,而且有集成后续工程应用软件的能力,包括各种所需的商业和自行研制软件,具有高度的扩展能力和持续发展能力。

      (3)直观性:具有友好的人机界面、简便快捷的操作方式和丰富的图形化显示功能,满足不同技术人员工程应用需要。

      (4)标准化:重视设计规范、标准、参考数据与历史成果的数据库建立、管理和应用,提高系统数字化工程研发的成熟度。

2.2 功能模块设计

      虚拟设计和数字化仿真平台是虚拟产品开发平台的核心,主要支持各种新产品技术设计中不同层次、不同领域的性能仿真,从而对产品的性能进行全面的分析。根据城市轨道交通车辆的特点,平台总体设计分为零部件、车辆系统和列车系统三个主要等级,根据各自仿真分析的不同需求设计不同的模块,完成相关的数字化设计、多学科联合仿真分析和虚拟试验等功能(如图1所示)。

2.3 平台组织架构设计

      平台由基础框架和功能框架两部分组成。平台仿真管理的基础框架软件为MSC公司的SimManager。数字化仿真管理平台提供模板服务、应用软件集成、数据集成、系统服务等功能,并提供系统安全服务,包括网络服务器和终端、数据服务器等。平台可以通过网络门户构建基于不同操作系统的异地协同仿真平台;可通过模型树、产品结构层次构建开放式的多学科仿真平台,实现专业自主研发的仿真软件和商用软件的集成,在有限元分析、动力学分析、碰撞分析、疲劳分析和非线性有限元分析等方面,通过SimManager与MSC Patran, Nastran,Catia,Adams(Simpack),Dytran,Fatigue,Marc等软件实现应用集成;可以通过项目管理(PM)和人员(分析人员和设计人员)权限管理方便地实现产品开发的项目管理。

      功能框架包括:基于浏览器的分布协同式系统的最佳实现方式,基于标准化、模板化的快速模型构建,基于多学科联合仿真的流程模块构建与集成,基于标准化、模板化、客户化的报告生成器,基于谱系关系的数据关系自动记录和生成及任一步的前后追溯和复杂的数据查询,基于行业标准的数据库Oracle等的源数据关系存贮和管理,方便、灵活的项目管理等。

2.4 用户界面

      平台用户界面用于接收用户指令及反馈系统运行结果。该平台的用户界面具有如下特征:①提供基于Web的标准用户界面,可满足异地用户的需求;②提供树状结构浏览器和工作台,用户可方便地对数据进行浏览、排序和过滤;③可以动态地提供仿真结果和数据从属关系信息;④提供一个定制化的框架,从而可以简易创建基于特定客户的设计分析流程;⑤通过基于Web的基础架构管理用户(验证和授权)和所有请求;⑥通过更改设计参数快速执行不同产品配置的评估方法;⑦提供与企业其它信息系统数据交换机制和接口。用户树状结构浏览器界面如图2所示。

3、主要功能模块开发

      城市轨道交通车辆虚拟设计和数字化仿真平台将主要完成零部件、车辆系统和列车系统相关的数字化设计、多学科联合仿真分析和虚拟试验等功能。在研究过程中,对主要CAE分析过程进行流程标准化定义,建立相应的基准框架,并在平台上进行集成封装。这些流程和分析软件可以是商用的,也可以是自行开发的。在此以城市轨道交通车辆模型为例,介绍车辆动力学分析模块(包括刚体模态分析、运行稳定性和参数优化、运行平稳性和参数优化、轮轨磨耗和曲线运行安全性分析及优化等)、列车运行仿真分析模块、零部件强度和模态分析模块,以及零部件疲劳分析模块开发的主要流程设计。

3.1 车辆动力学分析模块

      车辆动力学仿真分析模块是在ADAMS/Rail或Simpack环境下,建立标准的四轴城轨车辆全参数化模型;按照用户要求,自动完成车辆系统刚体振型、运行稳定性和参数优化、运行平稳性和参数优化、曲线运行安全性等相关分析后,输出相关结果数据文件、图表、曲线和动画等;并根据GB 5599—85和ISO 2631等标准,形成标准的仿真分析报告,同时完成关键悬挂参数的优化功能;在W indows环境下完成轮轨磨耗分析。具体描述包括:

      (1)全参数化车辆多体动力学模型。通过建立参数化转向架模板和车体模板,输入柔性车体或构架模态数据,建立全参数化的车辆柔刚体系统动力学模型。

      (2)运行稳定性分析。对车辆系统进行非线性稳定性分析,对最终临界速度进行输出;对大于临界速度的最近计算结果进行选择性输出,如导向轮对横向位移时间历程等。参数改变后上述分析流程的自动化。

      (3)运行平稳性分析。在指定线路(通过界面选择)上,对指定速度级(通过界面选择)进行非线性仿真分析;对指定点(通过模型定义)的垂直和横向加速度分别按照GB 5599—85、ISO 2631和UIC518等评价标准进行运行平稳性分析;输出指定速度下这些点的加速度曲线和其他指定输出(通过文件定义);形成需要的动画和分析报告。参数改变后上述分析流程的自动化。

      (4)曲线性能分析。在指定曲线线路(通过界面选择)上,对指定速度级(通过界面选择)进行仿真分析;输出指定点(事先已定义)的垂直和横向加速度;输出导向轮对外侧和内侧轮子的轮重减载率、脱轨系数、轮轨横向力等;输出转向架各轮对的横向位移和轮轨总横向力;输出各轮对的磨耗指数;输出各转向架内外侧二系悬挂横向位移;输出指定速度下这些点的加速度曲线和其他指定输出(通过文件定义);形成需要的动画(定义观测点、参考物体、光源等)和报告。参数改变后上述分析流程的自动化。

      (5)轮轨接触和磨耗分析。该模块为专业和自主研发软件在平台上的集成。输入轮轨踏面形状几何文件,输入轮轨接触基本参数,计算在轮对不同横向位移和摇头角下轮轨接触参数(接触点位置、接触斑大小、接触刚度和接触应力)、等效接触参数的输出,以及接触动画显示、磨耗情况判定,输出指定的结果。参数改变后上述分析流程的自动化。

3.2 列车牵引和运行仿真分析模块

      列车运行仿真模块是在ADAMS/Rail、Simpack以及MATLAB/Simulink环境下,构建城市轨道交通车辆(列车)在牵引(制动)过程中走行部机械系统和控制系统的动力学性能的一体化联合仿真模型,来研究车辆机械系统和电机控制系统在该工况下的综合动力学性能、相互作用和影响,为列车运行控制仿真提供基本分析方法。该模块的开发主要实现两方面的目的:①对现有列车在给定的运行控制策略下进行运行仿真研究,对运行状态、轮轨动力作用、能量消耗等性能进行仿真模拟;②在给定的列车编组、线路和运行时间等一系列条件下,研究采用合适的区间或线路的运行控制策略(包括牵引加速、惰行和制动减速等),给出较精确的列车运行控制方案。

      在功能上,该模块可实现在不同粘着(蠕滑)条件下的轮轨相互作用、转向架及主要零部件的动态载荷、车辆(列车)纵向动力学、电机特性、牵引和运行等的仿真分析。该模块为城市轨道交通车辆虚拟设计和数字化仿真分析平台核心模块之一,提供良好的人机界面和可视化操作,实现与牵引(制动)运行相关的各种参数输入和选择,通过曲线、图表、动画等多种形式输出仿真结果(见图3)。

3.3 零部件强度和模态分析模块

      该功能模块应用三维模型、材料库、载荷库和有限元分析(FEA)等不同领域的组合分析,实现对轨道交通车辆系统关键零部件的强度计算。在MSC.PATAN环境下,建立车体承载结构的有限元模型,按照相关的标准或规范,结合车辆的一些参数,自动施加载荷,根据一定的工况组合在NASTRAN中完成应力、变形、结构模态等相关分析后,输出相关结果数据文件、图表、曲线和动画等,形成标准报告。

3.4 零部件疲劳分析模块

      该功能模块应用多体动力学仿真(MBS)、有限元分析(FEA)、模态分析(ModalAnalysis)、疲劳寿命计算(FatigueAnalysis)等不同学科的联合仿真分析,实现对轨道车辆系统关键零部件的疲劳寿命计算;是车辆多体系统动力学模型、有限元模型、材料性能库等不同模型之间,动力学分析软件(ADAMS/Rail、Matlab/Simulink等)、有限元分析软件(Nastran、Ansys)、疲劳分析软件(Fatigue)等不同软件之间交互和数据传递的集成。设计人员对零部件结构或材料的任何修改,客户端用户执行应用该模块后,将实现零部件结构有限元模型、模态信息、车辆多体动力学系统、材料模型库等方面的相应修改,完成相关领域的分析,最终计算出零部件的相应疲劳载荷谱、寿命等;同时给出在测试获得的试验载荷谱下,零部件疲劳寿命的计算功能以及仿真分析和试验比较验证。

4、地铁列车运行仿真分析

      以某型地铁6节编组的列车为研究对象,其车辆包含拖车(A型)、带受电弓的动车(B型)和不带受电弓的动车(C型)等三种类型,编组型式为A-B-C-C-B-A。由于车辆采用的是对称排列,也为了缩短仿真机时,在仿真分析时采用“拖车+动车+动车”(即T+M+M)的3节编组模型。如图4所示。

      对牵引控制系统的模拟包括:

      (1)运行方式的控制。根据实际运行要求和预先的设定,按照牵引加速-惰行-制动减速进行运行控制,牵引和制动运行阶段可以模拟不同的控制方式。如牵引加速阶段采用恒扭矩控制、恒加速度控制等不同方式。

      (2)粘着的控制和利用。对没有预先给定的运行控制策略,或在较不利的粘着条件下,通过检测列车纵向速度和车轮瞬时转动速度、车轮滚动圆半径及轮轨接触关系,可以实时计算纵向蠕滑率大小。即该参数是可观测的,在实际控制中可以作为控制变量。采用控制纵向蠕滑率的方法来实现对轮轨粘着的控制。在需要大牵引力矩时,如果此时轮轨间的蠕滑率没有达到粘着利用最大对应的数值,则可以继续增加电机的牵引力矩;如果蠕滑率超过粘着利用的最大值点,则减小电机牵引力矩的输出,防止出现空转或者打滑。

      利用该平台的列车仿真模块进行了地铁列车运行仿真分析。图5为列车通过某一区间的运行加速度(a)曲线,图6为电机扭矩(M)输出曲线。

5、结语

      城市轨道交通车辆数字仿真分析管理平台可以实现对项目、产品、设计和仿真等不同领域多学科的数据管理和应用,实现了车辆CAE专业分析功能及数据集成。这些功能模块的集成系统和数据库的开发具有自主知识产权。同时,系统管理程序、软件接口、工作模式、开发方法可以移植或引用到其他轨道交通车辆系统(如磁浮车辆、干线车辆)的研制管理工作中,以实现打通各应用环节的数据流和减少大量重复性工作的目标。

      城市轨道交通车辆数字化仿真和数据管理平台的开发和建立包含了流程、规范和数据库建立等三方面,实现仿真数据与设计数据之间的连接。目前,已完成了平台基本管理框架构成和部分专业模块的开发。

      根据城市轨道交通车辆产品开发的要求,还有诸如车辆被动安全性分析(结构碰撞、失效分析),客室内部热湿环境分析,客室内外声学环境分析,零部件、车辆和列车系统的虚拟试验分析等模块需要开发和试验数据的验证。通过进一步的研究,将逐步建立起城市轨道交通车辆虚拟产品开发的数字化设计分析验证平台,实现产品自主研发、创新设计、性能预测和经济合理等综合优化目标。

 

参考文献

[1] MSC Software. MSC. Smi Manager Configuration and Development Guide 2005r1

     [G].2005.