高速列車轉動慣量自動計算方法與系統開發

林之海，黎榮，韓鑫，張海柱，邱紅銘

（西南交通大學　機械工程學院，成都 610036）

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高速列車轉動慣量自動計算方法與系統開發

林之海，黎榮，韓鑫，張海柱，邱紅銘

（西南交通大學機械工程學院，成都 610036）

摘 要：針對高速列車設計階段，需不斷調整零部件結構參數與布局所導致的整車轉動慣量頻繁計算問題，基于CATIA/CAA開發了一套轉動慣量自動計算系統。系統利用CAD軟件快速識別裝配體模型結構、布局變化的特點，在保證整車結構變化與布局調整便捷性的前提下，通過導入實測參數、參數坐標系統一、參數提取等步驟，實現整車轉動慣量的自動計算，并通過數據管理技術，在保證轉動慣量計算準確性的同時，減少了轉動慣量計算中所需的計算次數，提高了轉動慣量的計算效率，最后以高速列車輪對組份為例進行系統驗證。該系統已成功應用于國內某高速列車主機廠。

關鍵詞：轉動慣量計算；屬性提取；數據管理；CATIA/CAA

0　引言

轉動慣量是衡量物體轉動部件慣性大小的量化指標［1］。在高速列車設計中，轉動慣量用于實現對車體的“鎮定”作用，從而更進一步地消除車體蛇行，抑制轉向架蛇行的上傳，控制車體和轉向架的失穩［2］，影響高速列車整車運行平穩性與穩定性。因此，轉動慣量計算是整車設計階段，動力學性能分析重要的基礎環節。

在高速列車的整車設計中，設計人員需要頻繁對列車子部件結構進行更改，如增大輪對輪徑、改變門窗大小等。此外，即使在整車結構不變的情況下，設計人員往往也需要對已有子部件進行布局調整，如改變車上座椅，車下設備等布局。因而在設計過程中，需要不斷重新計算來獲取每一次結構、布局變化后所對應的轉動慣量值。鑒于高速列車作為典型的復雜產品，其子部件數量眾多，每次進行轉動慣量計算所需的計算量浩大，若能建立一個系統來實現其快速計算，將大大提高高速列車整車的設計效率。

因此，本文基于CATIA二次開發技術與數據庫技術，開發了一套面向高速列車的轉動慣量自動計算系統。該系統利用CAD軟件能快速對裝配體下子模型進行結構更改、數量增減的特點，在保證整車結構變化與布局調整便捷性的同時，通過數據管理技術有效地減少了轉動慣量計算中所需的迭代次數，提高了轉動慣量的計算效率。

1　轉動慣量計算方法與系統邏輯結構

高速列車整車轉動慣量的計算需首先獲取組成整車各子部件自身的轉動慣量值。由于組成高速列車整車的各個子部件結構復雜，設計人員多利用CAD軟件對此類復雜部件建模（如列車輪對踏面曲面造型）并進行之后頻繁的部件結構更改，考慮到目前各CAD軟件也均能夠對模型自身進行轉動慣量值的計算，并在各種平臺下（CAXA［3］、UG與ADAMS［4，5］、SolidWorks［6］、ACIS［7］、CATIA［8，9］等）提取屬性參數。因此在系統中，一部分子部件轉動慣量值的獲取是通過建立CAD模型，繼而賦予模型材料信息后，利用CAD自帶的計算功能得到。而模型中還存在另一部分材料屬性復雜的子部件，其轉動慣量值是根據實驗實測后，通過外部的說明文件得到。由于CAD無法直接讀取此類外部說明文件格式，且實驗所實測數據由于實驗環境不同，其數據所在坐標系也各不相同。因此，系統需要實現實測數據與其所匹配的中性文件模型的正確導入，并將此類不同來源的數據轉換至統一的坐標系下。

此外，在轉動慣量的計算過程中，根據“兩體質心公式”與“平行移軸定理”可知，若一復雜產品存在n個子零件，就需要進行n-1次迭代運算。而高速列車在進行結構與布局變化時，往往針對其成千上萬子部件中的幾個到幾十個部件進行更改，僅僅由于這極小部分部件的更改而對整車裝配體模型下所有子部件進行重新計算時，會不可避免地產生大量不必要的重復計算，影響效率。因此，系統通過數據庫技術，將之前計算所得到的轉動慣量值作為基礎數據保存在數據庫中，在計算時從中剔除設計人員所更改的少數零部件參數后，再與變更后零部件的新質心坐標與轉動慣量值進行迭代計算，得到該結構、布局方案下的整車轉動慣量值。

由以上描述，系統計算方法如圖1所示。

圖1　轉動慣量自動計算方法與流程圖

系統首先導入所要進行轉動慣量計算的裝配體模型，進而在實例數據庫尋找相匹配的實例數據，若不存在，則直接對裝配體導入實測數據，進行轉動慣量計算；若存在，設計人員則選擇是否在此次轉動慣量計算中存在結構與布局變化，若存在，則在實例數據庫中選擇實例作為基礎數據，并在其中選擇所變化的模型對應的參數進行剔除，繼而在裝配體中選擇需要重新獲取的模型進行轉動慣量計算；若不存在，則直接輸出所選擇實例的轉動慣量值。轉動慣量的計算過程包括外部文件數據導入、統一不同格式模型坐標系、屬性提取與整車轉動慣量計算。最終所得結果可選擇輸出至動力學分析軟件或者通過數據庫，作為新實例的形式進行存儲。

2　關鍵技術與實現

2.1實測數據識別與導入

在高速列車裝配體模型下發生結構與布局變化的子部件，其模型來源主要有：

1）結構件模型：指主機廠設計、制造的產品模型，或由單一材料構成的均質產品模型。

2）中性文件格式模型：指是輔助主機廠的配件廠所提供的配件模型，以及材料組成復雜的非均質模型文件。

結構件模型由CAD軟件建模生成，設計人員能夠直接提取其轉動慣量計算時所需的完整參數，而中性模型作為一種統一的CAD數據交互格式，模型中僅包含了模型大致的特征與幾何信息，其與轉動慣量計算的相關數據一般由實驗測量得到的實測數據提供。接口通過流（Streams）將實測數據所在的Excel表格中每一列內容分割成若干片段后，篩選出用于存放“名稱”的信息片段與模型中的“實例名稱”相匹配，從而將實測數據與模型一一對應，匹配成功的中性文件模型接收與“名稱”信息同組的整條信息流并將其添加到模型結構樹節點上去。成功導入后的模型結構樹如圖2所示。

圖2　實測數據識別與導入

2.2不同格式模型坐標系統一

模型在導入至CAD時，所在的零件體局部坐標系是根據其相對于CAD裝配體環境下默認的全局坐標系所決定；而實測所得到的轉動慣量相關參數由于其實驗時測試環境影響，其參數所在的局部坐標系又與全局、局部坐標系相異，導致不同格式模型的質心位置、自身轉動慣量值等參數所在坐標系不一致，使轉動慣量計算不準確。因此，需將兩者所在的局部坐標系統一到CAD裝配體環境下的全局坐標系中。

由于裝配體內各零件體的裝配關系與約束已經確定，各零件之間擁有固定的相對位置，因此，可以將裝配體視為一個剛體，取剛體上任意一點為目標點，獲取該點在局部坐標系與全局坐標系中的兩個坐標值，兩者的差值就是局部坐標系與全局坐標系之間的差值。中性文件作為CAD產品模型數據間的信息交互文件，諸如SETP、IGES格式文件均可以從中提取其諸如質心坐標在內的部分零件特征參數［9，10］，因此，選擇中性文件模型中存在的均質配件模型質心坐標為目標點，直接提取該點在全局坐標系下的坐標值（kx，ky，kz），繼而與從實測數據中所導入的質心坐標值（kx′，ky′，kz′）比較，獲取兩坐標系間差值Tx、Ty、Tz。

通過差值構建平移變換矩陣，局部坐標系（x，y，z）通過變換矩陣變換后，將新坐標系（x′，y′，z′）設置為中性格式模型所在坐標系，完成從局部坐標系到全局坐標系的變換。

對于結構件模型，由于其能夠直接提取模型質心等參數信息，因此，提取其在零件體環境與裝配體環境下所得到的兩個質心坐標，可同理完成其到全局坐標系的變換。之后，利用“兩體質心公式”與“平行移軸定理”計算通過遍歷模型結構樹所獲取的參數，得到整車轉動慣量值。

2.3轉動慣量數據管理

系統的數據管理功能，即是將每一次高速列車轉動慣量結果作為實例保存在數據庫中，以便于在高速列車裝配體模型結構與布局發生變化時，作為基礎數據進行調用。每一實例中，記錄了整車裝配體下所有子部件名稱、質量、質心坐標、自身轉動慣量等參數，其在數據庫中所建立的數據表如圖3所示。

圖3　系統數據庫管理

數據庫中所建立的數據表中，點頭慣量、搖頭慣量、側滾慣量代表了模型繞自身三坐標軸的轉動慣量，車內布局表中的三向定距記錄了模型的質心坐標。全表以文本文件形式傳輸到位于CATIA中的計算系統中，設計人員通過交互界面選擇需要從基礎數據中剔除的模型名稱，便能得到該模型名稱下，所對應的轉動慣量相關參數進行轉動慣量計算。同時，由于數據庫中數據表具有可添加性，設計人員能夠在得到計算結果后，視情況決定是否將結果與計算過程中所用參數反饋給數據庫，實現對數據中基礎數據的擴充。

3　系統結構

根據轉動慣量自動計算方法邏輯結構，搭建出符合要求的系統結構如圖4所示。

圖4　轉動慣量自動計算系統結構

系統以Microsoft Visual Studio2008為軟件開發工具，調用CATIA/CAA對CATIA軟件進行二次開發，并應用Oracle建立數據庫。系統可分為提供各項參數與模型的數據源、執行系統功能CATIA/CAA平臺下的轉動慣量計算模塊。

4　系統實例驗證

高速列車整車是典型的復雜機電產品，單就其一節車廂的兩個轉向架部件便含有1600個左右的子部件。僅僅對轉向架進行整體轉動慣量計算，計算機需要進行16002次計算。而通過計算系統，將原計算對象轉移到實例轉動慣量值與發生結構、布局變化的極少數（如30個）子部件中，計算機所需的計算次數將減少到302次，有效減少了計算時間，提高計算效率。

輪對系統作為高速列車轉向架中典型的既含有結構件（車輪、車軸），又包含了外購件（制動盤）的裝配體模型，在設計過程中經常會根據轉向架結構的變化而進行結構（輪對半徑、軸徑等）與布局的變化，通過高速列車某型車輪對組份計算實例對系統進行實例驗證。

在CATIA中，改變輪對組份中的結構件—車輪模型的輪徑大小，繼而計算改變結構后的輪對組份轉動慣量值。根據國內某車型提供的實測數據報告，改變輪徑后，該輪徑參數下輪對系統中主要零部件質量、轉動慣量參數如表1所示。

表1　某型車輪對質量與轉動慣量值

系統對原車輪參數進行剔除，繼而加入結構變化后的車輪參數并重新計算轉動慣量，即將為制動盤等外購件模型提供數據的實測數據進行導入、坐標系統一后，將其與車輪車軸等結構件模型一并計算整體轉動慣量，系統計算關鍵過程與結果如圖5所示。

圖5　輪對系統轉動慣量計算

比較表1中輪對轉動慣量實測值與圖6中轉動慣量系統計算值，發現兩者之間存在3%誤差，其原因是由于輪對曲面模型與實體之間存在一定誤差，若增加車輪所含曲面的造型精度，誤差將得到進一步減小。此結果以文本文件形式一方面輸出至動力學軟件Simpack做動力學分析，一方面作為實例儲存在數據庫中，如圖6所示。

圖6　系統輸出

5　結束語

針對目前缺乏針對高速列車整車模型的轉動慣量快速計算方法，而面向結構、布局優化的高速列車列車設計又需對不斷變化的轉動慣量進行高效計算這一難題，開發了一套轉動慣量自動計算系統。解決了因高速列車裝配體下子模型眾多，以及中性文件模型所含參數不完整而導致的轉動慣量難以高效和準確計算的問題。同時，也為除轉動慣量這一參數外，其他動力學性能參數的計算提供了借鑒方法。

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Automatic calculation method of rotational inertia of high-speed train and system development

LIN Zhi-hai， LI Rong， HAN Xin， ZHANG Hai-zhu， QIU Hong-ming

中圖分類號：TP391.9

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134（2016）05-0027-04

收稿日期：2016-01-18

基金項目：國家自然科學基金資助項目：高速列車轉向架概念設計建模及設計參數定量分析研究（51305367）；國家‘863’計劃項目：高速列車譜系化模塊構建與集成設計關鍵技術（2012AA112002）

作者簡介：林之海（1990 -），男，浙江溫州人，碩士研究生，研究方向為虛擬樣機與虛擬制造。