高速列车转动惯量自动计算方法与系统开发

林之海，黎荣，韩鑫，张海柱，邱红铭

（西南交通大学　机械工程学院，成都 610036）



高速列车转动惯量自动计算方法与系统开发

林之海，黎荣，韩鑫，张海柱，邱红铭

（西南交通大学机械工程学院，成都 610036）

摘 要：针对高速列车设计阶段，需不断调整零部件结构参数与布局所导致的整车转动惯量频繁计算问题，基于CATIA/CAA开发了一套转动惯量自动计算系统。系统利用CAD软件快速识别装配体模型结构、布局变化的特点，在保证整车结构变化与布局调整便捷性的前提下，通过导入实测参数、参数坐标系统一、参数提取等步骤，实现整车转动惯量的自动计算，并通过数据管理技术，在保证转动惯量计算准确性的同时，减少了转动惯量计算中所需的计算次数，提高了转动惯量的计算效率，最后以高速列车轮对组份为例进行系统验证。该系统已成功应用于国内某高速列车主机厂。

关键词：转动惯量计算；属性提取；数据管理；CATIA/CAA

0　引言

转动惯量是衡量物体转动部件惯性大小的量化指标［1］。在高速列车设计中，转动惯量用于实现对车体的“镇定”作用，从而更进一步地消除车体蛇行，抑制转向架蛇行的上传，控制车体和转向架的失稳［2］，影响高速列车整车运行平稳性与稳定性。因此，转动惯量计算是整车设计阶段，动力学性能分析重要的基础环节。

在高速列车的整车设计中，设计人员需要频繁对列车子部件结构进行更改，如增大轮对轮径、改变门窗大小等。此外，即使在整车结构不变的情况下，设计人员往往也需要对已有子部件进行布局调整，如改变车上座椅，车下设备等布局。因而在设计过程中，需要不断重新计算来获取每一次结构、布局变化后所对应的转动惯量值。鉴于高速列车作为典型的复杂产品，其子部件数量众多，每次进行转动惯量计算所需的计算量浩大，若能建立一个系统来实现其快速计算，将大大提高高速列车整车的设计效率。

因此，本文基于CATIA二次开发技术与数据库技术，开发了一套面向高速列车的转动惯量自动计算系统。该系统利用CAD软件能快速对装配体下子模型进行结构更改、数量增减的特点，在保证整车结构变化与布局调整便捷性的同时，通过数据管理技术有效地减少了转动惯量计算中所需的迭代次数，提高了转动惯量的计算效率。

1　转动惯量计算方法与系统逻辑结构

高速列车整车转动惯量的计算需首先获取组成整车各子部件自身的转动惯量值。由于组成高速列车整车的各个子部件结构复杂，设计人员多利用CAD软件对此类复杂部件建模（如列车轮对踏面曲面造型）并进行之后频繁的部件结构更改，考虑到目前各CAD软件也均能够对模型自身进行转动惯量值的计算，并在各种平台下（CAXA［3］、UG与ADAMS［4，5］、SolidWorks［6］、ACIS［7］、CATIA［8，9］等）提取属性参数。因此在系统中，一部分子部件转动惯量值的获取是通过建立CAD模型，继而赋予模型材料信息后，利用CAD自带的计算功能得到。而模型中还存在另一部分材料属性复杂的子部件，其转动惯量值是根据实验实测后，通过外部的说明文件得到。由于CAD无法直接读取此类外部说明文件格式，且实验所实测数据由于实验环境不同，其数据所在坐标系也各不相同。因此，系统需要实现实测数据与其所匹配的中性文件模型的正确导入，并将此类不同来源的数据转换至统一的坐标系下。

此外，在转动惯量的计算过程中，根据“两体质心公式”与“平行移轴定理”可知，若一复杂产品存在n个子零件，就需要进行n-1次迭代运算。而高速列车在进行结构与布局变化时，往往针对其成千上万子部件中的几个到几十个部件进行更改，仅仅由于这极小部分部件的更改而对整车装配体模型下所有子部件进行重新计算时，会不可避免地产生大量不必要的重复计算，影响效率。因此，系统通过数据库技术，将之前计算所得到的转动惯量值作为基础数据保存在数据库中，在计算时从中剔除设计人员所更改的少数零部件参数后，再与变更后零部件的新质心坐标与转动惯量值进行迭代计算，得到该结构、布局方案下的整车转动惯量值。

由以上描述，系统计算方法如图1所示。

图1　转动惯量自动计算方法与流程图

系统首先导入所要进行转动惯量计算的装配体模型，进而在实例数据库寻找相匹配的实例数据，若不存在，则直接对装配体导入实测数据，进行转动惯量计算；若存在，设计人员则选择是否在此次转动惯量计算中存在结构与布局变化，若存在，则在实例数据库中选择实例作为基础数据，并在其中选择所变化的模型对应的参数进行剔除，继而在装配体中选择需要重新获取的模型进行转动惯量计算；若不存在，则直接输出所选择实例的转动惯量值。转动惯量的计算过程包括外部文件数据导入、统一不同格式模型坐标系、属性提取与整车转动惯量计算。最终所得结果可选择输出至动力学分析软件或者通过数据库，作为新实例的形式进行存储。

2　关键技术与实现

2.1实测数据识别与导入

在高速列车装配体模型下发生结构与布局变化的子部件，其模型来源主要有：

1）结构件模型：指主机厂设计、制造的产品模型，或由单一材料构成的均质产品模型。

2）中性文件格式模型：指是辅助主机厂的配件厂所提供的配件模型，以及材料组成复杂的非均质模型文件。

结构件模型由CAD软件建模生成，设计人员能够直接提取其转动惯量计算时所需的完整参数，而中性模型作为一种统一的CAD数据交互格式，模型中仅包含了模型大致的特征与几何信息，其与转动惯量计算的相关数据一般由实验测量得到的实测数据提供。接口通过流（Streams）将实测数据所在的Excel表格中每一列内容分割成若干片段后，筛选出用于存放“名称”的信息片段与模型中的“实例名称”相匹配，从而将实测数据与模型一一对应，匹配成功的中性文件模型接收与“名称”信息同组的整条信息流并将其添加到模型结构树节点上去。成功导入后的模型结构树如图2所示。

图2　实测数据识别与导入

2.2不同格式模型坐标系统一

模型在导入至CAD时，所在的零件体局部坐标系是根据其相对于CAD装配体环境下默认的全局坐标系所决定；而实测所得到的转动惯量相关参数由于其实验时测试环境影响，其参数所在的局部坐标系又与全局、局部坐标系相异，导致不同格式模型的质心位置、自身转动惯量值等参数所在坐标系不一致，使转动惯量计算不准确。因此，需将两者所在的局部坐标系统一到CAD装配体环境下的全局坐标系中。

由于装配体内各零件体的装配关系与约束已经确定，各零件之间拥有固定的相对位置，因此，可以将装配体视为一个刚体，取刚体上任意一点为目标点，获取该点在局部坐标系与全局坐标系中的两个坐标值，两者的差值就是局部坐标系与全局坐标系之间的差值。中性文件作为CAD产品模型数据间的信息交互文件，诸如SETP、IGES格式文件均可以从中提取其诸如质心坐标在内的部分零件特征参数［9，10］，因此，选择中性文件模型中存在的均质配件模型质心坐标为目标点，直接提取该点在全局坐标系下的坐标值（kx，ky，kz），继而与从实测数据中所导入的质心坐标值（kx´，ky´，kz´）比较，获取两坐标系间差值Tx、Ty、Tz。

通过差值构建平移变换矩阵，局部坐标系（x，y，z）通过变换矩阵变换后，将新坐标系（x´，y´，z´）设置为中性格式模型所在坐标系，完成从局部坐标系到全局坐标系的变换。

对于结构件模型，由于其能够直接提取模型质心等参数信息，因此，提取其在零件体环境与装配体环境下所得到的两个质心坐标，可同理完成其到全局坐标系的变换。之后，利用“两体质心公式”与“平行移轴定理”计算通过遍历模型结构树所获取的参数，得到整车转动惯量值。

2.3转动惯量数据管理

系统的数据管理功能，即是将每一次高速列车转动惯量结果作为实例保存在数据库中，以便于在高速列车装配体模型结构与布局发生变化时，作为基础数据进行调用。每一实例中，记录了整车装配体下所有子部件名称、质量、质心坐标、自身转动惯量等参数，其在数据库中所建立的数据表如图3所示。

图3　系统数据库管理

数据库中所建立的数据表中，点头惯量、摇头惯量、侧滚惯量代表了模型绕自身三坐标轴的转动惯量，车内布局表中的三向定距记录了模型的质心坐标。全表以文本文件形式传输到位于CATIA中的计算系统中，设计人员通过交互界面选择需要从基础数据中剔除的模型名称，便能得到该模型名称下，所对应的转动惯量相关参数进行转动惯量计算。同时，由于数据库中数据表具有可添加性，设计人员能够在得到计算结果后，视情况决定是否将结果与计算过程中所用参数反馈给数据库，实现对数据中基础数据的扩充。

3　系统结构

根据转动惯量自动计算方法逻辑结构，搭建出符合要求的系统结构如图4所示。

图4　转动惯量自动计算系统结构

系统以Microsoft Visual Studio2008为软件开发工具，调用CATIA/CAA对CATIA软件进行二次开发，并应用Oracle建立数据库。系统可分为提供各项参数与模型的数据源、执行系统功能CATIA/CAA平台下的转动惯量计算模块。

4　系统实例验证

高速列车整车是典型的复杂机电产品，单就其一节车厢的两个转向架部件便含有1600个左右的子部件。仅仅对转向架进行整体转动惯量计算，计算机需要进行16002次计算。而通过计算系统，将原计算对象转移到实例转动惯量值与发生结构、布局变化的极少数（如30个）子部件中，计算机所需的计算次数将减少到302次，有效减少了计算时间，提高计算效率。

轮对系统作为高速列车转向架中典型的既含有结构件（车轮、车轴），又包含了外购件（制动盘）的装配体模型，在设计过程中经常会根据转向架结构的变化而进行结构（轮对半径、轴径等）与布局的变化，通过高速列车某型车轮对组份计算实例对系统进行实例验证。

在CATIA中，改变轮对组份中的结构件—车轮模型的轮径大小，继而计算改变结构后的轮对组份转动惯量值。根据国内某车型提供的实测数据报告，改变轮径后，该轮径参数下轮对系统中主要零部件质量、转动惯量参数如表1所示。

表1　某型车轮对质量与转动惯量值

系统对原车轮参数进行剔除，继而加入结构变化后的车轮参数并重新计算转动惯量，即将为制动盘等外购件模型提供数据的实测数据进行导入、坐标系统一后，将其与车轮车轴等结构件模型一并计算整体转动惯量，系统计算关键过程与结果如图5所示。

图5　轮对系统转动惯量计算

比较表1中轮对转动惯量实测值与图6中转动惯量系统计算值，发现两者之间存在3%误差，其原因是由于轮对曲面模型与实体之间存在一定误差，若增加车轮所含曲面的造型精度，误差将得到进一步减小。此结果以文本文件形式一方面输出至动力学软件Simpack做动力学分析，一方面作为实例储存在数据库中，如图6所示。

图6　系统输出

5　结束语

针对目前缺乏针对高速列车整车模型的转动惯量快速计算方法，而面向结构、布局优化的高速列车列车设计又需对不断变化的转动惯量进行高效计算这一难题，开发了一套转动惯量自动计算系统。解决了因高速列车装配体下子模型众多，以及中性文件模型所含参数不完整而导致的转动惯量难以高效和准确计算的问题。同时，也为除转动惯量这一参数外，其他动力学性能参数的计算提供了借鉴方法。

参考文献：

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Automatic calculation method of rotational inertia of high-speed train and system development

LIN Zhi-hai， LI Rong， HAN Xin， ZHANG Hai-zhu， QIU Hong-ming

中图分类号：TP391.9

文献标识码：A

文章编号：1009-0134（2016）05-0027-04

收稿日期：2016-01-18

基金项目：国家自然科学基金资助项目：高速列车转向架概念设计建模及设计参数定量分析研究（51305367）；国家‘863’计划项目：高速列车谱系化模块构建与集成设计关键技术（2012AA112002）

作者简介：林之海（1990 -），男，浙江温州人，硕士研究生，研究方向为虚拟样机与虚拟制造。