轨道车辆虚拟设计和仿真平台开发研究

1 引言

轨道车辆特别是地铁、高速客车和动车组是一个机、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、整车装配和性能测试（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）到较终产品的确认全过程开发周期长、试验成本巨大，运用性能优劣、零部件疲劳、结构可靠性和防治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，对于轨道车辆这样复杂的机电控制一体化的系统更适合采用虚拟产品设计（VPD）技术进行新产品的全过程集成开发和信息共享。

随着CAD、CAE和CAT技术的不断成熟，当前国内外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和仿真转移。目前，车辆部件级的计算机模型真已经日趋成熟，然而，随着设计手段的不断发展，不论国内国外，都面临很多不可回避的问题：部件级模型相互关系松散；部件级模型较优难以保证总体较优；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的发挥等……，这些问题不是刚刚出现，而是一直存在于产品设计中的。但在发展早期，设计人员更多关注的是如何通过减少物理模型实验数量来获得设计效率的提高，如采用各种实验设计方法。当前CAD/CAE技术已经相当成熟，工程模拟已经进入实用阶段，CAT也逐渐发挥作用，物理模型的实验数量已经大大压缩。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CAD/CAE/CAT为车辆总体性能的提高做出更大的贡献，成为轨道车辆设计新的发展方向，因此实用化的“虚拟样机”技术呼之欲出。
 
基于上述行业的实际，本文的研究以建立一个适合我国城市轨道车辆研制的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、数据的集成，导通设计、分析、试验等核心环节数据流，实现从目标设定、方案设计、参数优化、零部件和整个产品性能模拟、虚拟试验到较终产品性能确定的全过程研发，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制造管理的效率和能力。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，从流程、规范和数据库三方面着手，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SDM平台建设，即轨道车辆虚拟设计和数字化仿真平台设计。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，较终将担负起企业的CAD/CAE/ACT集成要求，实现企业PDM、SDM和TDM流程数据的管理，因此在平台设计时结合了未来企业信息化发展的趋势，具有以下特点和要求：

1. 基于分布式构架和操作系统的先进性。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。需要访问的数据资源和应用系统也同样存在于不同的软硬件环境中。
2. 开放性。系统不仅能满足现有软件的集成，而且有集成后续的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。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 轨道车辆虚拟设计和仿真平台总体设计

2.1 专业功能模块设计

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。根据轨道车辆的特点，平台总体设计时分为零部件、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。

在零部件级的仿真分析中包含三维数字化建模、有限元分析（FEA）、模态分析、碰撞分析、疲劳分析和虚拟试验等模块。在车辆系统级仿真分析中包含三维装配、轮轨磨耗分析、动力学分析、声场/噪声分析、空调和热湿环境分析、被动安全分析、运行试验等模块。在列车级的仿真分析中包括牵引仿真分析、制动系统仿真和列车纵向动力学仿真分析等模块。

2.2 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。根据平台总体设计要求，我们选择MSC公司的SimManager作为平台仿真管理的基础框架软件，以SimManager为基础框架建立的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。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；可以通过模型树、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，完成FEA、动力学、碰撞、疲劳和非线性有限元分析等功能；可以通过项目管理（PM）和人员权限管理方便地实现数字化样机的项目管理，基本上可以满足轨道车辆虚拟设计和数字化仿真平台的要求，如图2所示。

图1 平台的组织架构示意图

功能框架包括基于浏览器的，分布协同式系统的较佳实现方式；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。

2.3 用户界面

平台用户界面用于接收用户指令、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，可通过配置满足异地用户的不同需求；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)提供与企业其它数据交换机制和接口，见图2。

 
a）用户注册界面                        b）树状结构浏览器功能界面
图2 用户界面

3 主要功能模块开发

城市轨道车辆虚拟设计和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，对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、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的开发，主要流程设计说明如下。

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，自动完成从车辆系统刚体振型分析，运行稳定性和参数优化、运行平稳性和参数优化和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，根据不同评价标准，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Windows环境下，进行轮轨磨耗分析，如建立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，同时可以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，所有设计参数可以通过用户界面交互式输入、参数文件输入或特征曲线输入等不同方式，实现单一参数或多参数的多方案优化比较。设计流程见图3。其他功能包括：轮轨接触和磨耗分析；运行稳定性分析；运行平稳性分析和曲线性能分析。

图3 全参数化动力学模型流程

3.2 列车牵引和运行仿真分析模块

列车牵引和运行仿真分析模块是在ADAMS/Rail和MATLAB/Simulink环境下，通过城轨车辆（列车）在牵引（制动）过程中的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，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，为列车运行控制提供基本的仿真分析模型，如图4。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、牵引和运行等功能的仿真分析。该模块为城市轨道交通车辆虚拟设计和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、动画等多种型式输出仿真结果。

图4 列车牵引和运行仿真模型流程

3.3 零部件强度和模态分析模块

该功能模块是应用三维模型（CAD）、材料库、载荷库和有限元分析（FEA）、等不同领域的组合分析，实现对到轨道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

该功能模块是应用多体动力学仿真（MBS）、有限元分析（FEA）、模态分析（Modal Analysis）、疲劳寿命计算(Fatigue Analysis)等不同学科的联合仿真分析，实现对到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的或材料的任何修改，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，完成上述相关领域的分析，较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功能。

4 总结

通过本文的研究，初步开发了具有自主知识产权的轨道车辆虚拟设计和仿真平台管理系统，一方面可以实现对项目、产品、设计和仿真等不同领域多学科的数据管理和应用，完成了各专业模块的开发，实现了轨道车辆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、工作模式和开发方法等可以移植或引用到其他轨道交通车辆系统（如磁浮交通、轻轨交通）的研制工作中。以实现打通各应用环节的数据流和减少大量的重复性工作的目标。下一步将不断开发其他专业仿真模块，逐步完善轨道车辆虚拟产品开发的数字化平台，实现自主研发、产品创新和经济合理的较终目标。

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