动力学主要仿真软件

车辆动力学主要仿真软件

1960年,美国通用汽车公司研制了动力学软件DYNA,主要解决多自由度无约束的机械系统的动力学问题,进行车辆的“质量－弹簧－阻尼”模型分析。作为第一代计算机辅助设计系统的代表,对于解决具有约束的机械系统的动力学问题,工作量依然巨大,而且没有提供求解静力学与运动学问题的简便形式。

随着多体动力学的诞生与发展,机械系统运动学与动力学软件同时得到了迅速的发展。1973年,美国密西根大学的N、Orlandeo与,研制的ADAMS软件,能够简单分析二维与三维、开环或闭环机构的运动学、动力学问题,侧重于解决复杂系统的动力学问题,并应用GEAR 刚性积分算法,采用稀疏矩阵技术提高计算效率。1977年,美国Iowa 大学在,研究了广义坐标分类、奇异值分解等算法并编制了DADS软件,能够顺利解决柔性体、反馈元件的空间机构运动学与动力学问题。随后,人们在机械系统动力学、运动学的分析软件中加入了一些功能模块,使其可以包含柔性体、控制器等特殊元件的机械系统。

德国航天局DLR早在20世纪70年代,Willi Kortüm教授领导的团队就开始从事MBS软件的开发,先后使用的MBS软件有Fadyna(1977)、MEDYNA(1984),以及最终享誉业界的SIMPACK(1990)、随着计算机硬件与数值积分技术的迅速发展,以及欧洲航空航天事业需求的增长,DLR决定停止开发基于频域求解技术的MEDYNA软件,并致力于基于时域数值积分技术的发展。1985年由DLR开发的相对坐标系递归算法的SIMPACK软件问世,并很快应用到欧洲航空航天工业,掀起了多体动力学领域的一次算法革命。

同时,DLR首次在SIMPACK软件中将多刚体动力学与有限元分析技术结合起来,开创了多体系统动力学由多刚体向刚柔混合系统的发展。另外,由于SIMPACK算法技术的优势,成功地将控制系统与多体计

算技术结合起来,发展了实时仿真技术。

基于多体系统动力学原理的机车车辆分析软件在90年代初的发展已就是如日中天。其中几个比较著名的软件如下:

●MEDYNA软件

MEDYNA软件就是由德国航空航天研究所于1984年推出的多体系统模拟软件。D、Wallrapp,C、Futher,W、kortum等为此花了近十年的时间。该软件适用于铁路、公路车辆、磁悬浮车辆以及一般机械系统动态模拟计算,程序用Fortran77编写。其较早的版本均在文本环境中进行包括刚体数目、坐标位置、刚体间连结、外界激扰及输出变量等的定义,使用较为复杂。MEDYNA在绝对坐标系中定义系统后由程序自动完成系统方程的生成,通过选择不同的模块进行包括静力学、动力学、特征值、频域、随机振动、时域积分、准线性化等计算分析及数据与图形、动画的后处理功能。MEDYNA的建模、计算功能极强,提供了带有FEM程序的弹性体前处理模块、广泛的线性分析方法以及较强的后处理模块。

●VAMPIRE软件

1989年,由英国铁路道比研究所推出的VAMPIRE软件,就是专门针对铁路机车车辆系统开发的,软件具有自动建模功能,能完成包括轮对模拟、蠕滑力计算、轨道曲线、轨道不平顺输入以及动力学特性预测,程序也可以考虑车体的模态。

软件采用相对坐标系,通过人机对话的方式来定义机车车辆结构的几何尺寸与参数,也可按规定格式输入数据文件,利用建模子程序,自动生成用矩阵形式表示的系统运动方程,給分析计算提供统一的模型。VAMPIRE建模比较方便,计算效率高,但仅能用于不带刚性约束车辆系统分析计算,VAMPIRE侧重客车系统建模,计算功能全面。同样可以实现包括动力学、特征值、频域、随机振动、时域积分等计算分析及数据与图形、动画的后处理功能。

●NUCARS软件

NUCARS软件就是由北美铁路协会(AAR)下属的普韦布洛试验中心(TTC)开发的,其1、0版本在1989年面世,NUCARS软件也就是应用多体系统动力学方法采用相对坐标系进行机车车辆系统的自动建模,由于其针对以货车为主的铁路机车车辆进行模拟计算,因此程序中镶嵌了货车所特有的斜楔减振器以及心盘、旁承等摩擦模块,而且程序不像MEDYNA那样庞大,Version2、1及以前的版本的机车车辆系统数据准备均在文本环境中进行,在Version 2、3的版本中增加了较强的可视化前后处理功能。NUCARS软件能够考虑车体的一阶模态,可以进行车辆系统的时域内的动力学数值积分分析,其缺点就是不便于求解特征值问题。

图4、1 空车分析模型

图4、2 重车分析模型

●ADAMS软件

ADAMS软件就是世界上应用最广泛的机械系统仿真软件,由Mechanical Dynamics公司的Chance、Orlandea等人于1981年最初推出的这一软件,能完成包括运动学、约束反力求解、特征值、频域分析、静力学、准静力学分析以及完全非线性与线性动力学分析,具有可视化的二维与三维建模能力,可包括刚体与柔体结构,具有组装、分析、动态显示不同模型或一个模型在某一过程变化中的能力。它采用先进的数值分析技术与强有力的求解器,使计算快速、准确。其最初的版本只针对通用机械系统仿真分析,后期才增加了包含轮轨关系的铁路模块。

图4、3 转向架分析模型

图4、4 车辆分析模型

●SIMPACK软件

SIMPACK软件就是德国INTEC Gmbh公司开发的针对机械/机电系统运动学/动力学仿真分析的多体动力学分析软件包。它最初就是继基于频域求解技术的MEDYNA软件后,德国航空航天局于1985年开发的基于时域数值积分技术与相对坐标系递归算法的、以多体系统计算动力学为基础,包含多个专业模块与专业领域的虚拟样机开发系统软件。该软件首次将多刚体动力学与有限元技术结合起来,开创了多体系统动力学由多刚体向刚柔多体耦合系统的发展,并成功地将控制系统与多体计算技术结合,发展了实时仿真技术。1993年,SIMPACK 软件从德国航空航天局分离出来,由INTEC公司负责SIMPACK多体动力学软件的开发与市场运作,并于1996年推出Wheel/Rail模块。

SIMPACK软件可以用来仿真任何虚拟的机械/机电系统,在三维可视化环境中,利用多体系统的各种基本要素组建复杂多体系统,并自动形成其动力学方程,利用各种内置的高效率求解方式,可以进行静力学、准静态分析、运动学、频域模态、时域积分分析等,还有强大的动画与前、后处理功能等。

图4、5 侧架交叉支撑货车系统SIMPACK模型 UM软件

俄罗斯布良斯克国立理工大学(Bryansk State Technical University) Dmitry Pogorelov教授研发的Universal Mechanism(简称UM)软件就是目前俄罗斯最为通用的机械动力学/运动学仿真分析软件之一,在轨道车辆行业拥有大量的用户。UM软件具有高效易用的前后处理功能并支持并行计算技术,模型修改非常方便、计算速度较快。UM软件开发了汽车模块、铁道车辆(包括机车、客车与货车)模块、列车模块、疲劳分析模块及优化模块等功能强大的专业模块,还设有与CAD软件、有限元软件及控制软件的接口。与其她车辆动力学仿真分析软件相比,UM软件的突出特点就是功能强大、适用性强,其子系统建模技术、刚柔耦合系统建模技术、强大的轮轨关系处理功能(如实时绘制