虚拟样机讲稿

- 铁道机车车辆
多数铁路企业采用SIMPACK多体程序进行仿真如：SIEMENS、SGP、MAN、ALSTOM、BOMBARDIER、DB、JR… 铁路应用举例：国内采用径向转向架的摆式列车牵引头车仿真 File: shihui-luo//g:/Lou_sh_ppt/铁道车辆虚拟样机\2003.08\成都 铁道车辆虚拟样机\ 铁道车辆虚拟样机 2003.08\
西南交通大学机车车辆研究所
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铁道车辆虚拟样机
- 虚拟样机的概念与内涵 - 多体动力学的基本概念与软件 - 虚拟样机的应用领域 - 铁道车辆虚拟样机及未来铁道车辆的设计方法
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- 与传统动力学不同，多体动力学有如下特点：
分析机械系统时，不需要工程师自己来建立微分方程，而是由程序根据拓朴关系自动建立。 由于不用自己建立方程，因此不容易出错，既使出错也容易检查出来。 对不同的复杂机械系统能够很快建立模型，并且便于修改，而传统分析中增加或减少自由 度是非常烦琐且极易出错的。 数值分析专家提供的有效计算方法保证计算过程准确和可靠。 File: shihui-luo//g:/Lou_sh_ppt/铁道车辆虚拟样机\2003.08\成都 铁道车辆虚拟样机\ 铁道车辆虚拟样机 2003.08\
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- 多体动力学的基本概念与软件
全球工业界市场目前：150 - 175 个
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
Market Shares: SIMPACK Wheel/Rail 49% VAMPIREl 18% MSC.ADAMS/Rail 15% NUCARS 12% VOCODYN 6%
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- 多体动力学的基本概念与软件
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- 多体动力学的基本概念与软件
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虚拟样机的概念与内涵
- 作为一种研究方向由美国人提出，并与ADAMS软件的应用紧密相关 其基础是1984年多体动力学的发展和计算机性能的大幅度提高。 - 虚拟样机技术主要是指对机械系统的动力学仿真，而且这种仿真是 以多体动力学的理论与方法为基础，它在CAE中的地位如图。
图
- 在产品开发初期就通过计算机仿真，研究车辆动力特性和改善潜力， 可以达到低成本和快周期的目的，这是虚拟样机技术的宗旨。 - 动力学仿真即虚拟样机与有限元方法的区别：前者研究机械系统多个 部件的动力学或运动学关系，存在大的相对位移；而后者研究的是机 械系统中某个部件的小变形和应力。 Engin-MBS
西南交通大学机车车辆研究所使用SIMPACK进行车辆系统动力学仿真。 全球使用SIMPACK的企业与研究机构数量逐年迅速增长。 图
- 铁道机车车辆动力学分析概述
铁道机车车辆是一种典型的复杂机械多体系统,对机车车辆性能的评价涉及很多内容, 因此其动力学分析内容也是多方面的,如图所示。 图
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百度文库- 多体动力学的基本概念与软件
- 多体系统商业化软件的种类和市场占有率
纯粹的商业化多体程序目前主要有ADMAS和SIMPACK，以及用户很少的其他一些程序。 目前在铁路机车车辆多体系统分析软件中的市场占有率如图。 全球SIMPACK软件用户分布。 图 图
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根轨迹 最小阻尼 临界参数 平稳性指数
变化参数分析
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虚拟样机的应用领域
- 汽车 - 铁道机车车辆 - 机电设计仿真 - 新型轨道车辆，如磁悬浮列车 - 铁道车辆弓网动力学仿真 - 通用机械 - 机器人 - 航空航天 - 等等
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铁道机车车辆虚拟样机及未来铁道机车车辆设计方法
-在铁路领域，转向架出现的100年来，基本上没有本质变化 -转向架的设计一直是由机械工程师主导的机械结构设计 -随着铁路追求更高速度、更轻重量、更低能耗、更低成本，仅靠机械设 计已难以达到。像汽车和航空领域引入控制技术，可能会对未来铁路车 辆的发展产生革命性的影响。 -转向架的设计经历了：经验设计、分析设计，即将进行机电设计时期 -虚拟样机和机电设计将成为未来铁路车辆设计的方法 -摆式列车、交流传动控制、粘着控制已经显示其巨大应用潜力。 -有了机电控制技术，可能未来铁路的道岔功能都可由车辆控制来实现。 -在繁忙公路上汽车也可像列车一样通过控制形成车流提高通过效率。
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车辆系统动力学分析 线性系统分析 静平衡位置 +静 平 衡 位 置 抗 干 扰 能 力 +平 稳 性 频域 谱密度 方差分析 非线性系统分析 极限环计算 抗 干 扰 能 力 +平 稳 性 曲 线 /任 意 线 路 通 过 曲线通过 S型 曲 线 通 过 随机激励 轨道扭曲 （ 实 测 或 PSD转 换 ） 实测轨道走向 解 析 激 励 （如正弦等） 等等 特殊分析 过道岔 滚动台研究 等等 过桥 主动控制（如倾摆） 分叉计算 测量数据的统计分析 准静态曲线通过 （如回归分析） 等等
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虚拟样机的应用领域
- 机电设计仿真 - 新型轨道车辆，如磁悬浮列车
机电设计在航空和汽车工业应用非常广泛，取得了成功。 在铁路上机电设计也初见成效：如摆式列车、交流传动控制… 机电设计思想：设计初期就将机械与电子控制综合在一起，用控制技术实现传统机械结构难以达到的目标。 因此动力学仿真应将控制技术包括进行，对机电产品进行性能仿真：如独立车轮中采用主动控制技术。 磁悬浮列车是一种典型的利用机电设计思想，使传统轨道车辆发生了革命性变化。 磁悬浮列车的应用举例：曲线通过： 曲线通过时控制点间隙变化： 曲线通过时整车振动情况： 通过桥梁： 起浮过程原理（运行程序）。 File: shihui-luo//g:/Lou_sh_ppt/铁道车辆虚拟样机\2003.08\成都 铁道车辆虚拟样机\ 铁道车辆虚拟样机 2003.08\
图
Combustion-MBS Carbody-FEM
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- 虚拟样机的概念与内涵
CAE CAM LCC FEM
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虚拟样机的应用领域
- 铁道机车车辆（续）
铁路应用举例：大连市快速轨道车辆仿真： 仿真中轮轨接触情况： 列车过桥仿真： 过道岔计算： 主动悬持仿真： 图 图 （机辆所尚没有进行过此类仿真） 图 图 （机辆所在磁浮车仿真中应用此技术） （机辆所申报国家自然科学基金研究，待批准）
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虚拟样机的应用领域
- 汽车
汽车与铁路是多体动力学或虚拟样机的最主要应用领域。 汽车的建模与铁路相比要求更高的数据库应用、子结构应用技巧； 铁路车辆的悬挂部件相对汽车更简单，但铁路车辆的轮轨特殊性决定了其分析过程很复杂。 图 此外汽车的转向是主动的，而铁路是被动的。 汽车在不平道路上的运行： 汽车驶过一个障碍： 等等。
滚动试验台上的性能研究：
曲线通过计算： （常规计算） 粘着控制仿真： 图
弓网动力学仿真： （尚未进行此类仿真） 等等… File: shihui-luo//g:/Lou_sh_ppt/铁道车辆虚拟样机\2003.08\成都 铁道车辆虚拟样机\ 铁道车辆虚拟样机 2003.08\
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虚拟样机的应用领域
- 通用机械 - 机器人 - 航空航天 - 等等
随着技术的进展，虚拟样机技术将会在越来越多领域得到应用。并成为现代 设计的一种重要方法。 同时也将成为研究机构（大学、研究院所等）从事各种特殊研究的重要工具。
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包括疲劳 计算结构力学等
CAD CAd CAA
动力学
CAO
控制 装配
静力学
运动学
M
B
S
计算多体动力学
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多体动力学的基本概念与软件
- 虚拟样机技术是以计算多体动力学理论为基础的动力学仿真方法。 - 1984年就定义了计算多体动力学领域的任务和研究目标：
建立复杂机械系统的动力学程式化数模型，并开发实现该数学模型的软件，用户只需输 入描述系统的最基本数据，就能借助计算机按程序自动进行处理。 开发和实现处理数学模型的有效计算方法与数值积分法，自动得到运动学和动力学响应。 实现有效的数据后处理，并通过动画、图表或其他方法提供数据处理结果。
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主变压器
输入端 逆变器
直流电路
电 机 逆变器
M
交 流 牵引电机
M
目前机辆所尚没有进行过此类仿真。 但德国航空航天局已利用SIMPACK程序进行过这一工作，得到了机车在牵引情况下的结果。
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