SimMechanics在轉(zhuǎn)向架測(cè)試臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真中的應(yīng)用

陳 云，陳 熔，蘇 建

（1.北華大學(xué) 汽車(chē)與建筑工程學(xué)院，吉林 132013；2.吉林大學(xué) 交通學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

SimMechanics在轉(zhuǎn)向架測(cè)試臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真中的應(yīng)用

陳 云1，陳 熔2，蘇 建2

（1.北華大學(xué) 汽車(chē)與建筑工程學(xué)院，吉林 132013；2.吉林大學(xué) 交通學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)在各種車(chē)輛以及機(jī)械裝備的道路模擬實(shí)驗(yàn)以及環(huán)境試驗(yàn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。文中研究的六自由度轉(zhuǎn)向架測(cè)試臺(tái)是多自由度振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的一種。研制轉(zhuǎn)向架測(cè)試臺(tái)的過(guò)程中，在計(jì)算機(jī)上基于系統(tǒng)的控制策略對(duì)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬仿真，可以縮短研制時(shí)間和降低研制成本。以一種七作動(dòng)器六自由度轉(zhuǎn)向架測(cè)試臺(tái)為例，通過(guò)SimMechanics模塊構(gòu)建與實(shí)際測(cè)試臺(tái)一致的模型，在Simulink環(huán)境中建立相應(yīng)的控制模塊，對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬仿真。通過(guò)對(duì)該問(wèn)題的研究，擴(kuò)展了當(dāng)前SimMechanics模塊在解決復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)問(wèn)題中的應(yīng)用。

振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)；六自由度轉(zhuǎn)向架測(cè)試臺(tái)；SimMechanics；運(yùn)動(dòng)仿真

SimMechanics是立足于Simulink模塊之上的，不僅提供了大量與實(shí)際系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的元件，而且依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)通過(guò)SimMechanics模塊構(gòu)建好的系統(tǒng)模型可以與Simulink環(huán)境直接進(jìn)行無(wú)縫聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的各種控制。通過(guò)SimMechanics模塊建立的系統(tǒng)模型可以同時(shí)將系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、尺寸以及質(zhì)量等實(shí)際因素都包含在內(nèi)，使得建立的系統(tǒng)模型與實(shí)際系統(tǒng)十分接近，仿真結(jié)果也更加可靠。

振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用于模擬真實(shí)振動(dòng)環(huán)境效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)對(duì)其輸入不同的激勵(lì)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種振動(dòng)環(huán)境的模擬，在進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的可靠性實(shí)驗(yàn)上有著廣泛的應(yīng)用，如機(jī)車(chē)、汽車(chē)、船舶、兵器、航空航天設(shè)備等。在振動(dòng)環(huán)境模擬試驗(yàn)中，多軸振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)因能夠更真實(shí)的模擬實(shí)際的動(dòng)力學(xué)環(huán)境，能夠更全面的暴露大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的缺陷和隱患而得到更廣泛的關(guān)注。

轉(zhuǎn)向架的性能對(duì)軌道客車(chē)的安全性和乘坐舒適性有很大的影響，對(duì)于高速軌道客車(chē)的影響更是至關(guān)重要。吉林大學(xué)汽車(chē)運(yùn)輸研究所研制的室內(nèi)六自由度轉(zhuǎn)向架測(cè)試臺(tái)可以通過(guò)輸入轉(zhuǎn)向架構(gòu)型及運(yùn)行環(huán)境來(lái)模擬轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行行為和軌道線路信息。在計(jì)算機(jī)中通過(guò)SimMechanics對(duì)其建模，并在Simulink環(huán)境中完成運(yùn)動(dòng)模擬仿真，為后續(xù)的控制策略的驗(yàn)證等工作提供了新的實(shí)現(xiàn)思路。

1 六自由度轉(zhuǎn)向架測(cè)試臺(tái)

通過(guò)Solidworks建模軟件建立的六自由度轉(zhuǎn)向架檢測(cè)臺(tái)模型如圖1所示。該轉(zhuǎn)向架檢測(cè)臺(tái)是由一對(duì)七作動(dòng)器六自由度振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)組成。在實(shí)際多軸振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的研制過(guò)程中，為提高多軸振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上在進(jìn)行大型試驗(yàn)件試驗(yàn)時(shí)的抗傾覆力矩能力，從而保證實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性，大型多軸振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上使用的作動(dòng)器的數(shù)量常常會(huì)多于控制自由度的數(shù)量。文中在說(shuō)明整個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真研究過(guò)程時(shí)只對(duì)其中的一個(gè)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行研究，如圖2所示，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真建模只需將各個(gè)子系統(tǒng)的模型進(jìn)行組合即可。振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的激振平臺(tái)通過(guò)球鉸與7個(gè)液壓作動(dòng)器連接在一起，通過(guò)給7個(gè)液壓作動(dòng)器輸入相應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)可以使激振平臺(tái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的目的，從而完成對(duì)固定于激振平臺(tái)上的試驗(yàn)試件的性能測(cè)試。

圖 1 六自由度轉(zhuǎn)向架測(cè)試臺(tái)

圖 2 七作動(dòng)器六自由度振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

2 基于SimMechanics模塊建立振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的SimMechanics框圖

為振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)建立SimMechanics框圖時(shí)，首先對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)分成2大組件，分別為激振臺(tái)組件和支腿組件。激振臺(tái)組件主要包括激振平臺(tái)，上鉸座和活塞桿。支腿組件主要包括下鉸座和液壓缸。為更加準(zhǔn)確的建立振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的SimMechanics框圖模型，建立振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的SimMechanics框圖模型時(shí)，根據(jù)簡(jiǎn)化模型各個(gè)零部件之間的裝配關(guān)系，在SimMechanics Library中直接拖拽所需的模塊進(jìn)行SimMechanics框圖模型的建立。SimMechanics中所包含的模塊集如圖3所示。每個(gè)模塊集中還包含有各種不同型式及不同功能的子模塊。在建立振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的SimMechanics框圖時(shí)，根據(jù)各部分的零部件類(lèi)型及互相之間的裝配、相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系來(lái)選擇相應(yīng)的模塊，并通過(guò)對(duì)剛體模塊及連接副模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置來(lái)保證零部件的主要尺寸并完成零部件之間的裝配關(guān)系。在SimMechanics框圖中為實(shí)現(xiàn)各個(gè)振動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)模擬仿真，還需要在模型中的相應(yīng)位置加入驅(qū)動(dòng)器模塊和傳感器模塊。建立好的振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的SimMechanics框圖如圖4所示。振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的SimMechanics框圖即為后面整個(gè)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)仿真模型中Plant模塊。振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)各個(gè)支腿的SimMechanics框圖如圖5所示，各個(gè)支腿的組成模塊皆相同，只是模塊的參數(shù)設(shè)置有所區(qū)別。由建立好的振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的SimMechanics框圖生成的三維模型如圖6所示。

圖 3 SimMechanics中的模塊

3 基于Matlab-SimMechanics模塊振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)仿真

對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真前，在Simulink環(huán)境中建立振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)反解模型以及運(yùn)動(dòng)仿真的控制模塊。建立好的振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)反解模型如圖7所示。建立的PID控制模塊及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖 4 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的SimMechanics框圖

圖 5 支腿的SimMechanics框圖

圖 6 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的3D結(jié)構(gòu)圖

圖 7 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)反解模型

圖 8 PID控制模塊及內(nèi)部構(gòu)造圖

建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解模型是根據(jù)振動(dòng)平臺(tái)的反解運(yùn)算過(guò)程來(lái)建立的。反解運(yùn)算主要是根據(jù)運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)給定的目標(biāo)位姿來(lái)求解出各個(gè)液壓作動(dòng)器液壓桿的伸長(zhǎng)量。在仿真的過(guò)程中，液壓作動(dòng)器的液壓桿的伸長(zhǎng)量作為運(yùn)動(dòng)仿真的輸入量，從而驅(qū)動(dòng)振動(dòng)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位姿。振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的完整運(yùn)動(dòng)仿真模型如圖9所示。在仿真模型中加入了激振平臺(tái)中心位置的位姿傳感器，在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)結(jié)束后可以給出激振平臺(tái)運(yùn)動(dòng)后中心位置的三維坐標(biāo)值。

圖 9 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的仿真模型

文中為節(jié)省篇幅，只列舉振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的2種簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)，分別是繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng) 的極限轉(zhuǎn)動(dòng)和沿X軸平移100 mm的平移運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)后振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的姿態(tài)及平臺(tái)中心位置的仿真曲線分別如圖10和圖11所示。

圖 10 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)繞X軸旋轉(zhuǎn)后的姿態(tài)及平臺(tái)中心的位置曲線

圖 11 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)沿X軸平移后的姿態(tài)及平臺(tái)中心的位置曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用SimMechanics模塊構(gòu)建了振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的SimMechanics框圖模型，并在Simulink環(huán)境中對(duì)該振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真。SimMechanics模塊的建模也是方塊圖建模方式，簡(jiǎn)單高效，并且能夠與Simulink中各個(gè)子模塊很好結(jié)合并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行仿真控制，這對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)研制初期的運(yùn)動(dòng)仿真研究提供了一個(gè)新的研究思路。在基于SimMechanics運(yùn)動(dòng)仿真的過(guò)程中得到清晰明了的模擬運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)的同時(shí)還可以通過(guò)添加傳感器模塊得到目標(biāo)測(cè)定點(diǎn)的實(shí)時(shí)位姿等數(shù)據(jù)。在研制應(yīng)用于檢測(cè)機(jī)車(chē)運(yùn)行參數(shù)及疲勞耐久性等的轉(zhuǎn)向架檢測(cè)臺(tái)時(shí)，可將在實(shí)際道路行駛的試驗(yàn)車(chē)輛上采集到的實(shí)際載荷譜（即原始響應(yīng)信號(hào)）作為道路模擬實(shí)驗(yàn)的期望信號(hào)，在計(jì)算機(jī)上對(duì)轉(zhuǎn)向架檢測(cè)臺(tái)進(jìn)行基于SimMechanics的運(yùn)動(dòng)仿真來(lái)檢驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)實(shí)際復(fù)雜信號(hào)的響應(yīng)情況，從而節(jié)省研制成本和研制時(shí)間。

[1]王洪瑞.液壓六自由度并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制策略[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2002（10）.

[2]關(guān)廣豐，王海濤，熊 偉.六自由度液壓振動(dòng)平臺(tái)分析及控制策略[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2011，31（1）：89-93.

[3]曲中英，翁正新.基于Simulink的Stewart平臺(tái)仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2005（4）：264-267.

責(zé)任編輯 方 圓

Application of SimMechanics in motion simulation of bogie test bench

CHEN Yun1, CHEN Rong2, SU Jian2

( 1.College of Automotive and Architectural engineering, Beihua University, Jilin 132013, China; 2.College of Transportation, Jilin University, Changchun 130022, China )

Vibration test bench played a more and more important role on the road simulation test and environment test of vehicles and mechanized equipment. The 6 degree freedom bogie test bench in this paper was one kind of multi degree freedom of vibration test bench. In the development process of bogie test bench, development time and development costs could be shorten and reduced by the motion simulation based on control strategy on computer. A six degree freedom of bogie test bench with seven actuators was taken for example, a model which was consistent with the vibration table was built by the Matlab-Sim Mechanics module, and relevant control model was set to implement the motion simulation of the vibration test bench in Simulink. The application of the Matlab-Sim Mechanics module was extended in solving problems of complex mechanical systems.

vibration test bench; 6 degree freedom bogie test bench; SimMechanics; motion simulation

U270.33∶TP39

A

2013-04-17

陳 云，助教；陳 熔，副教授。

1005-8451（2014）01-0040-04