动力学主要仿真软件

车辆
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得机械系统得动力学问题，进行车辆得“质量－弹簧－阻尼”模型分析。

作为第一代计算机辅助设计系统得代表，对于解决具有约束得机械系统得动力学问题，工作量依然巨大，而且没有提供求解静力学与运动学问题得简便形式。

随着多体动力学得诞生与发展，机械系统运动学与动力学软件同时得到了迅速得发展。

1973年,美国密西根大学得N、Orlandeo与，研制得ADAMS软件，能够简单分析二维与三维、开环或闭环机构得运动学、动力学问题，侧重于解决复杂系统得动力学问题，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、反馈元件得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、运动学得分析软件中加入了一些功能模块，使其可以包含柔性体、控制器等特殊元件得机械系统。

德国航天局DLR早在20世纪70年代，Willi Kortüm教授领导得团队就开始从事MBS软件得开发，先后使用得MBS软件有Fadyna（1977）、MEDYNA （1984），以及最终享誉业界得SIMPACK（1990）、随着计算机硬件与数值积分技术得迅速发展，以及欧洲航空航天事业需求得增长，DLR决定停止开发基于频域求解技术得MEDYNA软件，并致力于基于时域数值积分技术得发展。

1985年由DLR开发得相对坐标系递归算法得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得一次算法革命。

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得发展。

另外，由于SIMPACK算法技术得优势，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得机车车辆分析软件在90年代初得发展已就是如日中天。

其中几个比较著名得软件如下：
MEDYNA软件
MEDYNA软件就是由德国航空航天研究所于1984年推出得多体系统模拟软件。

D、Wallrapp，C、Futher，W、kortum等为此花了近十年得时间。

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。

其较早得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得定义，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得生成，通过选择不同得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、动画得后处理功能。

MEDYNA得建模、计算功能极强，提供了带有FEM程序得弹性体前处理模块、广泛得线性分析方法以及较强得后处理模块。

VAMPIRE软件
1989年，由英国铁路道比研究所推出得VAMPIRE软件，就是专门针对铁路机车车辆系统开发得，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得模态。

软件采用相对坐标系，通过人机对话得方式来定义机车车辆结构得几何尺寸与参数，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得系统运动方程，給分析计算提供统一得模型。

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、动画得后处理功能。

NUCARS软件
NUCARS软件就是由北美铁路协会（AAR）下属得普韦布洛试验中心（TTC）开发得，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得自动建模，由于其针对以货车为主得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得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及以前得版本得机车车辆系统数据准备均在文本环境中进行，在Version 2、3得版本中增加了较强得可视化前后处理功能。

NUCARS软件能够考虑车体得一阶模态，可以进行车辆系统得时域内得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得机械系统仿真软件，由Mechanical Dynamics公司得Chance、Orlandea等人于1981年最初推出得这一软件，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，具有可视化得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得能力。

它采用先进得数值分析技术与强有力得求解器，使计算快速、准确。

其最初得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得铁路模块。

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公司开发得针对机械/机电系统运动学/动力学仿真分析得多体动力学分析软件包。

它最初就是继基于频域求解技术得MEDYNA软件后，德国航空航天局于1985年开发得基于时域数值积分技术与相对坐标系递归算法得、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得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得发展，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多体动力学软件得开发与市场运作，并于1996年推出Wheel/Rail模块。

SIMPACK软件可以用来仿真任何虚拟得机械/机电系统，在三维可视化环境中，利用多体系统得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，利用各种内置得高效率求解方式，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，还有强大得动画与前、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教授研发得Universal Mechanism(简称UM)软件就是目前俄罗斯最为通用得机械动力学/运动学仿真分析软件之一,在轨道车辆行业拥有大量得用户。

UM软件具有高效易用得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得专业模块,还设有与CAD软件、有限元软件及控制软件得接口。

与其她车辆动力学仿真分析软件相比,UM软件得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、强大得轮轨关系处理功能(如实时绘制轮轨两点接触作用力得曲线等)都使UM软件具有良好得应用前景。

UM4中得道碴模型经过升级后,可以研究罐车得液固耦合振动问题,还可以研究运煤敞车、粮食漏斗车等散装物运输货车得压力分布。

UM5已经开始考虑车桥耦合振动问题。

UM软件中得列车模块既可以建立车辆具有单自由度得列车模型,也可以建立车辆具有全自由度得列车模型。