基于矩阵实验室图形用户界面的轨道车辆动力学软件开发

孔敬之 邓 奇

(同济大学铁道与城市轨道交通研究院,201804,上海∥第一作者,硕士研究生)

经过多年的发展,国外成熟的轨道车辆动力学软件如SIMPACK、NUCARS等各有特点,各软件商也在不停地对各自的产品进行研发和升级。我国这方面的软件开发相对滞后,研发单位大都使用国外动力学研究平台。然而,在轨道车辆动力学研究领域,我国已经到达一定的水平,且已拥有自主研发这方面软件的能力。但由于各种软件平台车建模和计算方法纷繁杂乱,或不具有针对性,不能适应轨道车辆系统动力学研究的发展。随着计算机建模仿真方法在轨道车辆动力学的研究和车辆参数优化设计中的日益重要,对于不同的轨道车辆来说,越来越需要采用不同的计算模型和方法,分析内容也更需要根据新的研究对象而有所改变,以确保用最优的研究方法来应对新技术要求。

MATLAB矩阵实验室作为集科学计算和图形界面开发两方面优势于一身的开发工具平台,拥有数值分析和计算、建模、仿真、原型开发和科学绘图等功能,并易于设计和开发应用于轨道车辆动力学的研究软件。基于MATLAB/SIMULINK平台的系统仿真已经相对成熟,仅缺乏便捷的用户可操作系统,所以使得仿真模型不能得到广泛的应用。

开发拥有清晰友好的用户可操作界面并且整合各种车辆模型和计算方法的综合应用软件,有利于车辆动力学研究的开展,并将对该领域的研究发展起到重要的推动作用。

1 MATLAB/GUI结构简介

1.1 GUI(Graphical User Interface,图形用户界面)层次构造

MAT LAB的图形化句柄对象包括uicontrol uimenu和uicontexmenu,以及图柄、轴柄及其子类,并由消息机制触发。其GUI对象层次构造如图1所示。

1)初始化图形界面。这一过程式是通过Openfig函数调用相关M-Script和FIG文件来初始化图形界面实现的,但用户必须编写初始化函数完成参数输入过程。

2)通过创建guihandles和guidata函数存储该图形界面所有对象的句柄,并返回参数给回调函数及自定义函数。

3)动态建立消息驱动事件。

4)完成相应计算并输出参数。

图1 GUI对象层次结构

1.2 软件程序说明

除菜单界面外,软件在计算过程中需要调用相关的文件(图2所示)以获得相应的信息,所要关联到的各种文件系统化、规范化,各种文件的读写都要遵从一定的格式。主要文件包括工程文件,计算模型文件和轮轨数据文件。

1.2.1 工程文件

工程文件的后缀为“prj”,文件保存在名为“prj”的文件夹中。对于某一轨道车辆的动力学计算工程,其工程文件分为计算参数和计算结果两部分。其中,计算参数文件包括工程参数文件和车辆参数文件;计算结果文件包括软件涉及到的各种计算过程所要保留的数据、结果和图表,例如车辆振动模态表、车辆轮轨外形几何匹配数据、车辆平稳性指标数据、变轮轨接触工况临界速度分布图等。

图2 GUI主程序结构图

1.2.2 动力学模型库

模型文件包含各种轨道车辆动力学计算模型的具体细节,主要有所需的车辆参数、车辆模型的系统矩阵等。模型文件主要包括相应车辆模型的相关参数列表文件、线形模型系统矩阵文件、振动模态分析文件和动态时域仿真文件等。

1.2.3 轮轨数据文件

轮、轨外形数据文件包含在轨道车辆动力学计算中所要涉及到的各种轮踏面和轨头的几何外形及相关参数。其中,轨道外型标准类型包括 LMa、LM、X2000T、S1002等,车轮踏面外型类型包括R38、R43、R45、R60等,同时也支持根据需要导入各自的自定义外型。

2 程序计算功能简介

整个软件功能包括:车辆参数的录入和修改,轮轨参数的设定和轮轨接触几何参数的计算,垂向或横向整车综合振动模型运算和时域仿真模块。每个模块可以单独运行,也可以整合在一起运行并输出结果文件。下文以其中的车辆系统刚体模态的计算分析模块为例,说明系统计算模型和GUI任务的调用。

在参数编辑界面中可以设定所有的车辆参数(见图3),以及所要计算的车辆载荷工况和车型。在程序主界面上可以设定车辆运行速度、粘着系数和等效斜度。车辆系统刚体模态的计算中,默认设置为比较低的车辆运行速度;缺省轮轨接触工况为C2,即等效斜度为0.25,粘着系数为0.25,半蠕滑水平。

完成设置参数后,GUI主函数收集输入参数并写入数据库;同时生成并调用工程文件供系统返回计算参数,后台程序调用仿真程序和模型库,然后进入“车辆系统刚体模态的计算分析”。计算得到的车辆振动模态数据将显示在界面左上列表中,具体数据包括模态序号、固有频率、有阻尼频率、阻尼比及振型名称等。值得一提的是,开发初期该软件图形界面全部采用GUIDE界面编辑器制作。该界面友好,但由于其传递参数多封闭在子函数内部,访问困难且自由度低,故功能脚本中多使用控件函数直接收集控制面板参数并调用计算函数。这样可发挥界面编辑器和控件函数各自的长处,使得交互效率更高且节省系统资源。

图3 车辆系统刚体模态计算流程

后处理程序调用的“振动分析及绘图界面”使用绘图对象句柄控制。虽然其编写较为繁琐,但能更为精准地控制绘图对象并捕捉光标位置,使得人机交互更为方便快捷。由“绘图形式”按钮可将车辆振动模态的表格切换到模态分布图,各点的横坐标和纵坐标分别表示相对应模态的有阻尼频率和阻尼比。而下方的矢量图为所选中模态的各自由度振动相对矢量,并用文字显示该模态中幅值最大的振型、模态的阻尼比和有阻尼频率。鼠标点击模态分布图,可以获得取点光标,用户也可通过下方矢量图显示该模态的信息。

选定好所需要的振动模态后,可以点击“开始动画”按钮观看该模态的振动示意动画。动画将显示在右方的动画显示区域,可以从三视图中显示出车辆各个部件的振动类型、幅度和相位。如点击“计算模态”按钮就可以计算优化参数后的车辆振动模态并显示在相应的图表中,并可以将结果保存为.jpg文件。

3 软件应用简介

本章主要是把所开发的软件应用于实际车辆动力学研究项目中。以设计中的某地铁B型车作为研究车辆,构造速度为120 km/h,运行速度为 100 km/h。根据软件的功能,对该车辆的各项动力学性能进行了计算分析和一系或二系悬挂参数优化,分别进行垂向或横向振动特性分析、整车随机响应预测等计算。

以下仅列出刚体模态计算及阻尼优化分析结果。

由表1计算结果可知,二系垂向阻尼对车体模态影响很大。根据经验,一般在 AW0(空载)或AW2(额定荷载)下使车体刚体振动模态阻尼比在25%～30%较合适,因此二系垂向阻尼的初始值30 kNs/m(每侧)较为合适。

表1 不同二系垂向阻尼下AW0和AW2车体主要振型的阻尼比变化 %

由表1、表2和表3结果可知,二系横向阻尼对车体模态影响很大。根据经验,一般在AW0/AW2荷载下使车体刚体振动模态阻尼比在25%～30%较合适,因此二系横向阻尼调整为40 kNs/m(每转向架)。

表2 不同二系横向阻尼下的AW0和AW2动车体主要振型的阻尼比变化 %

表3 动车有阻尼固有频率和阻尼比

为了验证软件程序和模型的正确性,按照BenchmarkⅠ[7]所定义的车辆参数,采用上述B型地铁车辆模型,用该软件进行相关计算,并比较其结果。根据设定参数计算出来的车辆模态的各项数据与BenchmarkⅠ的结果比较如表4。

表4 各模态频率的比较

由上述两表可以证明:车辆模型与之相接近,软件程序能够正确运行,能够满足所需的动力学计算功能。

4 结语

本文介绍的作为一种以MATLAB/GUI为开发平台的动力学分析软件,结合了当前对于轨道车辆动力学研究领域的研究成果,并基于模型的动力学仿真方法。其主要优缺点如下:

1)模型库有极高的可移植性和继承性,可减少软件开发周期;

2)基于模型库的程序指针环境更易于版本更新和控制;

3)开放性的开发环境使用户更易于定制并对软件进行二次开发;

4)目前测试环境下的绘图显示区域尚不成熟,用户自由度较小;

5)由于MAT LAB编译器的GUI运行环使其计算速度低于普通商用软件。

该软件通过在实际项目中的应用,各个GUI界面模块能够互相切换和联系,实现预期的功能要求,能够进行车辆模型的模态计算和时域动态仿真;通过与GENSYS,SIMPACK,ADAMS和NUCARS的相同指标结果进行比较,证实该软件中所用的模型与之接近;对于将来基于MAT LAB/GUI的此类动力学计算软件的开发,它具有一定的参考价值。

[1]翟婉明.车辆-轨道耦合动力学[M].2版.北京:中国铁道出版社,2002.

[2]丁国富,翟婉明.机车车辆在轨道上运行的动力学可视仿真[J].铁道学报,2002,24(3):14.

[3]周劲松,张洪,任利惠.几种提速客车运行特性试验研究[R].上海:同济大学铁道与城市轨道交通研究院,2005.

[4]张洪.基于运行模态识别的铁路客车动力学特性研究[R].上海:同济大学汽车学院,2005.

[5]Malek-Madani R.Advanced EngineeringMathematicswith Mathematical and MA TLAB[R].Addison-Wesley,1998.

[6]Lindefield G,Penny J.Numerical M ethods U sing MAILAB[R].Ellis Horwood,1995.

[7]Simon Iwnicki.T he Results of the Manchester Benchmarks[R].VSD Supplement 31(1999),2-12.