基于矩陣實驗室圖形用戶界面的軌道車輛動力學軟件開發

孔敬之 鄧 奇

(同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海∥第一作者,碩士研究生)

經過多年的發展,國外成熟的軌道車輛動力學軟件如SIMPACK、NUCARS等各有特點,各軟件商也在不停地對各自的產品進行研發和升級。我國這方面的軟件開發相對滯后,研發單位大都使用國外動力學研究平臺。然而,在軌道車輛動力學研究領域,我國已經到達一定的水平,且已擁有自主研發這方面軟件的能力。但由于各種軟件平臺車建模和計算方法紛繁雜亂,或不具有針對性,不能適應軌道車輛系統動力學研究的發展。隨著計算機建模仿真方法在軌道車輛動力學的研究和車輛參數優化設計中的日益重要,對于不同的軌道車輛來說,越來越需要采用不同的計算模型和方法,分析內容也更需要根據新的研究對象而有所改變,以確保用最優的研究方法來應對新技術要求。

MATLAB矩陣實驗室作為集科學計算和圖形界面開發兩方面優勢于一身的開發工具平臺,擁有數值分析和計算、建模、仿真、原型開發和科學繪圖等功能,并易于設計和開發應用于軌道車輛動力學的研究軟件。基于MATLAB/SIMULINK平臺的系統仿真已經相對成熟,僅缺乏便捷的用戶可操作系統,所以使得仿真模型不能得到廣泛的應用。

開發擁有清晰友好的用戶可操作界面并且整合各種車輛模型和計算方法的綜合應用軟件,有利于車輛動力學研究的開展,并將對該領域的研究發展起到重要的推動作用。

1 MATLAB/GUI結構簡介

1.1 GUI(Graphical User Interface,圖形用戶界面)層次構造

MAT LAB的圖形化句柄對象包括uicontrol uimenu和uicontexmenu,以及圖柄、軸柄及其子類,并由消息機制觸發。其GUI對象層次構造如圖1所示。

1)初始化圖形界面。這一過程式是通過Openfig函數調用相關M-Script和FIG文件來初始化圖形界面實現的,但用戶必須編寫初始化函數完成參數輸入過程。

2)通過創建guihandles和guidata函數存儲該圖形界面所有對象的句柄,并返回參數給回調函數及自定義函數。

3)動態建立消息驅動事件。

4)完成相應計算并輸出參數。

圖1 GUI對象層次結構

1.2 軟件程序說明

除菜單界面外,軟件在計算過程中需要調用相關的文件(圖2所示)以獲得相應的信息,所要關聯到的各種文件系統化、規范化,各種文件的讀寫都要遵從一定的格式。主要文件包括工程文件,計算模型文件和輪軌數據文件。

1.2.1 工程文件

工程文件的后綴為“prj”,文件保存在名為“prj”的文件夾中。對于某一軌道車輛的動力學計算工程,其工程文件分為計算參數和計算結果兩部分。其中,計算參數文件包括工程參數文件和車輛參數文件;計算結果文件包括軟件涉及到的各種計算過程所要保留的數據、結果和圖表,例如車輛振動模態表、車輛輪軌外形幾何匹配數據、車輛平穩性指標數據、變輪軌接觸工況臨界速度分布圖等。

圖2 GUI主程序結構圖

1.2.2 動力學模型庫

模型文件包含各種軌道車輛動力學計算模型的具體細節,主要有所需的車輛參數、車輛模型的系統矩陣等。模型文件主要包括相應車輛模型的相關參數列表文件、線形模型系統矩陣文件、振動模態分析文件和動態時域仿真文件等。

1.2.3 輪軌數據文件

輪、軌外形數據文件包含在軌道車輛動力學計算中所要涉及到的各種輪踏面和軌頭的幾何外形及相關參數。其中,軌道外型標準類型包括 LMa、LM、X2000T、S1002等,車輪踏面外型類型包括R38、R43、R45、R60等,同時也支持根據需要導入各自的自定義外型。

2 程序計算功能簡介

整個軟件功能包括:車輛參數的錄入和修改,輪軌參數的設定和輪軌接觸幾何參數的計算,垂向或橫向整車綜合振動模型運算和時域仿真模塊。每個模塊可以單獨運行,也可以整合在一起運行并輸出結果文件。下文以其中的車輛系統剛體模態的計算分析模塊為例,說明系統計算模型和GUI任務的調用。

在參數編輯界面中可以設定所有的車輛參數(見圖3),以及所要計算的車輛載荷工況和車型。在程序主界面上可以設定車輛運行速度、粘著系數和等效斜度。車輛系統剛體模態的計算中,默認設置為比較低的車輛運行速度;缺省輪軌接觸工況為C2,即等效斜度為0.25,粘著系數為0.25,半蠕滑水平。

完成設置參數后,GUI主函數收集輸入參數并寫入數據庫;同時生成并調用工程文件供系統返回計算參數,后臺程序調用仿真程序和模型庫,然后進入“車輛系統剛體模態的計算分析”。計算得到的車輛振動模態數據將顯示在界面左上列表中,具體數據包括模態序號、固有頻率、有阻尼頻率、阻尼比及振型名稱等。值得一提的是,開發初期該軟件圖形界面全部采用GUIDE界面編輯器制作。該界面友好,但由于其傳遞參數多封閉在子函數內部,訪問困難且自由度低,故功能腳本中多使用控件函數直接收集控制面板參數并調用計算函數。這樣可發揮界面編輯器和控件函數各自的長處,使得交互效率更高且節省系統資源。

圖3 車輛系統剛體模態計算流程

后處理程序調用的“振動分析及繪圖界面”使用繪圖對象句柄控制。雖然其編寫較為繁瑣,但能更為精準地控制繪圖對象并捕捉光標位置,使得人機交互更為方便快捷。由“繪圖形式”按鈕可將車輛振動模態的表格切換到模態分布圖,各點的橫坐標和縱坐標分別表示相對應模態的有阻尼頻率和阻尼比。而下方的矢量圖為所選中模態的各自由度振動相對矢量,并用文字顯示該模態中幅值最大的振型、模態的阻尼比和有阻尼頻率。鼠標點擊模態分布圖,可以獲得取點光標,用戶也可通過下方矢量圖顯示該模態的信息。

選定好所需要的振動模態后,可以點擊“開始動畫”按鈕觀看該模態的振動示意動畫。動畫將顯示在右方的動畫顯示區域,可以從三視圖中顯示出車輛各個部件的振動類型、幅度和相位。如點擊“計算模態”按鈕就可以計算優化參數后的車輛振動模態并顯示在相應的圖表中,并可以將結果保存為.jpg文件。

3 軟件應用簡介

本章主要是把所開發的軟件應用于實際車輛動力學研究項目中。以設計中的某地鐵B型車作為研究車輛,構造速度為120 km/h,運行速度為 100 km/h。根據軟件的功能,對該車輛的各項動力學性能進行了計算分析和一系或二系懸掛參數優化,分別進行垂向或橫向振動特性分析、整車隨機響應預測等計算。

以下僅列出剛體模態計算及阻尼優化分析結果。

由表1計算結果可知,二系垂向阻尼對車體模態影響很大。根據經驗,一般在 AW0(空載)或AW2(額定荷載)下使車體剛體振動模態阻尼比在25%～30%較合適,因此二系垂向阻尼的初始值30 kNs/m(每側)較為合適。

表1 不同二系垂向阻尼下AW0和AW2車體主要振型的阻尼比變化 %

由表1、表2和表3結果可知,二系橫向阻尼對車體模態影響很大。根據經驗,一般在AW0/AW2荷載下使車體剛體振動模態阻尼比在25%～30%較合適,因此二系橫向阻尼調整為40 kNs/m(每轉向架)。

表2 不同二系橫向阻尼下的AW0和AW2動車體主要振型的阻尼比變化 %

表3 動車有阻尼固有頻率和阻尼比

為了驗證軟件程序和模型的正確性,按照BenchmarkⅠ[7]所定義的車輛參數,采用上述B型地鐵車輛模型,用該軟件進行相關計算,并比較其結果。根據設定參數計算出來的車輛模態的各項數據與BenchmarkⅠ的結果比較如表4。

表4 各模態頻率的比較

由上述兩表可以證明:車輛模型與之相接近,軟件程序能夠正確運行,能夠滿足所需的動力學計算功能。

4 結語

本文介紹的作為一種以MATLAB/GUI為開發平臺的動力學分析軟件,結合了當前對于軌道車輛動力學研究領域的研究成果,并基于模型的動力學仿真方法。其主要優缺點如下:

1)模型庫有極高的可移植性和繼承性,可減少軟件開發周期;

2)基于模型庫的程序指針環境更易于版本更新和控制;

3)開放性的開發環境使用戶更易于定制并對軟件進行二次開發;

4)目前測試環境下的繪圖顯示區域尚不成熟,用戶自由度較小;

5)由于MAT LAB編譯器的GUI運行環使其計算速度低于普通商用軟件。

該軟件通過在實際項目中的應用,各個GUI界面模塊能夠互相切換和聯系,實現預期的功能要求,能夠進行車輛模型的模態計算和時域動態仿真;通過與GENSYS,SIMPACK,ADAMS和NUCARS的相同指標結果進行比較,證實該軟件中所用的模型與之接近;對于將來基于MAT LAB/GUI的此類動力學計算軟件的開發,它具有一定的參考價值。

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