基于矩陣實(shí)驗(yàn)室圖形用戶界面的軌道車輛動(dòng)力學(xué)軟件開發(fā)

孔敬之 鄧 奇

(同濟(jì)大學(xué)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(jīng)過多年的發(fā)展,國外成熟的軌道車輛動(dòng)力學(xué)軟件如SIMPACK、NUCARS等各有特點(diǎn),各軟件商也在不停地對(duì)各自的產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)和升級(jí)。我國這方面的軟件開發(fā)相對(duì)滯后,研發(fā)單位大都使用國外動(dòng)力學(xué)研究平臺(tái)。然而,在軌道車輛動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域,我國已經(jīng)到達(dá)一定的水平,且已擁有自主研發(fā)這方面軟件的能力。但由于各種軟件平臺(tái)車建模和計(jì)算方法紛繁雜亂,或不具有針對(duì)性,不能適應(yīng)軌道車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)建模仿真方法在軌道車輛動(dòng)力學(xué)的研究和車輛參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的日益重要,對(duì)于不同的軌道車輛來說,越來越需要采用不同的計(jì)算模型和方法,分析內(nèi)容也更需要根據(jù)新的研究對(duì)象而有所改變,以確保用最優(yōu)的研究方法來應(yīng)對(duì)新技術(shù)要求。

MATLAB矩陣實(shí)驗(yàn)室作為集科學(xué)計(jì)算和圖形界面開發(fā)兩方面優(yōu)勢于一身的開發(fā)工具平臺(tái),擁有數(shù)值分析和計(jì)算、建模、仿真、原型開發(fā)和科學(xué)繪圖等功能,并易于設(shè)計(jì)和開發(fā)應(yīng)用于軌道車輛動(dòng)力學(xué)的研究軟件?；贛ATLAB/SIMULINK平臺(tái)的系統(tǒng)仿真已經(jīng)相對(duì)成熟,僅缺乏便捷的用戶可操作系統(tǒng),所以使得仿真模型不能得到廣泛的應(yīng)用。

開發(fā)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(jì)算方法的綜合應(yīng)用軟件,有利于車輛動(dòng)力學(xué)研究的開展,并將對(duì)該領(lǐng)域的研究發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。

1 MATLAB/GUI結(jié)構(gòu)簡介

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

MAT LAB的圖形化句柄對(duì)象包括uicontrol uimenu和uicontexmenu,以及圖柄、軸柄及其子類,并由消息機(jī)制觸發(fā)。其GUI對(duì)象層次構(gòu)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(shù)調(diào)用相關(guān)M-Script和FIG文件來初始化圖形界面實(shí)現(xiàn)的,但用戶必須編寫初始化函數(shù)完成參數(shù)輸入過程。

2)通過創(chuàng)建guihandles和guidata函數(shù)存儲(chǔ)該圖形界面所有對(duì)象的句柄,并返回參數(shù)給回調(diào)函數(shù)及自定義函數(shù)。

3)動(dòng)態(tài)建立消息驅(qū)動(dòng)事件。

4)完成相應(yīng)計(jì)算并輸出參數(shù)。

圖1 GUI對(duì)象層次結(jié)構(gòu)

1.2 軟件程序說明

除菜單界面外,軟件在計(jì)算過程中需要調(diào)用相關(guān)的文件(圖2所示)以獲得相應(yīng)的信息,所要關(guān)聯(lián)到的各種文件系統(tǒng)化、規(guī)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(jì)算模型文件和輪軌數(shù)據(jù)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(duì)于某一軌道車輛的動(dòng)力學(xué)計(jì)算工程,其工程文件分為計(jì)算參數(shù)和計(jì)算結(jié)果兩部分。其中,計(jì)算參數(shù)文件包括工程參數(shù)文件和車輛參數(shù)文件;計(jì)算結(jié)果文件包括軟件涉及到的各種計(jì)算過程所要保留的數(shù)據(jù)、結(jié)果和圖表,例如車輛振動(dòng)模態(tài)表、車輛輪軌外形幾何匹配數(shù)據(jù)、車輛平穩(wěn)性指標(biāo)數(shù)據(jù)、變輪軌接觸工況臨界速度分布圖等。

圖2 GUI主程序結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 動(dòng)力學(xué)模型庫

模型文件包含各種軌道車輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型的具體細(xì)節(jié),主要有所需的車輛參數(shù)、車輛模型的系統(tǒng)矩陣等。模型文件主要包括相應(yīng)車輛模型的相關(guān)參數(shù)列表文件、線形模型系統(tǒng)矩陣文件、振動(dòng)模態(tài)分析文件和動(dòng)態(tài)時(shí)域仿真文件等。

1.2.3 輪軌數(shù)據(jù)文件

輪、軌外形數(shù)據(jù)文件包含在軌道車輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算中所要涉及到的各種輪踏面和軌頭的幾何外形及相關(guān)參數(shù)。其中,軌道外型標(biāo)準(zhǔn)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(shí)也支持根據(jù)需要導(dǎo)入各自的自定義外型。

2 程序計(jì)算功能簡介

整個(gè)軟件功能包括:車輛參數(shù)的錄入和修改,輪軌參數(shù)的設(shè)定和輪軌接觸幾何參數(shù)的計(jì)算,垂向或橫向整車綜合振動(dòng)模型運(yùn)算和時(shí)域仿真模塊。每個(gè)模塊可以單獨(dú)運(yùn)行,也可以整合在一起運(yùn)行并輸出結(jié)果文件。下文以其中的車輛系統(tǒng)剛體模態(tài)的計(jì)算分析模塊為例,說明系統(tǒng)計(jì)算模型和GUI任務(wù)的調(diào)用。

在參數(shù)編輯界面中可以設(shè)定所有的車輛參數(shù)(見圖3),以及所要計(jì)算的車輛載荷工況和車型。在程序主界面上可以設(shè)定車輛運(yùn)行速度、粘著系數(shù)和等效斜度。車輛系統(tǒng)剛體模態(tài)的計(jì)算中,默認(rèn)設(shè)置為比較低的車輛運(yùn)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(shù)為0.25,半蠕滑水平。

完成設(shè)置參數(shù)后,GUI主函數(shù)收集輸入?yún)?shù)并寫入數(shù)據(jù)庫;同時(shí)生成并調(diào)用工程文件供系統(tǒng)返回計(jì)算參數(shù),后臺(tái)程序調(diào)用仿真程序和模型庫,然后進(jìn)入“車輛系統(tǒng)剛體模態(tài)的計(jì)算分析”。計(jì)算得到的車輛振動(dòng)模態(tài)數(shù)據(jù)將顯示在界面左上列表中,具體數(shù)據(jù)包括模態(tài)序號(hào)、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(fā)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(shù)多封閉在子函數(shù)內(nèi)部,訪問困難且自由度低,故功能腳本中多使用控件函數(shù)直接收集控制面板參數(shù)并調(diào)用計(jì)算函數(shù)。這樣可發(fā)揮界面編輯器和控件函數(shù)各自的長處,使得交互效率更高且節(jié)省系統(tǒng)資源。

圖3 車輛系統(tǒng)剛體模態(tài)計(jì)算流程

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

選定好所需要的振動(dòng)模態(tài)后,可以點(diǎn)擊“開始動(dòng)畫”按鈕觀看該模態(tài)的振動(dòng)示意動(dòng)畫。動(dòng)畫將顯示在右方的動(dòng)畫顯示區(qū)域,可以從三視圖中顯示出車輛各個(gè)部件的振動(dòng)類型、幅度和相位。如點(diǎn)擊“計(jì)算模態(tài)”按鈕就可以計(jì)算優(yōu)化參數(shù)后的車輛振動(dòng)模態(tài)并顯示在相應(yīng)的圖表中,并可以將結(jié)果保存為.jpg文件。

3 軟件應(yīng)用簡介

本章主要是把所開發(fā)的軟件應(yīng)用于實(shí)際車輛動(dòng)力學(xué)研究項(xiàng)目中。以設(shè)計(jì)中的某地鐵B型車作為研究車輛,構(gòu)造速度為120 km/h,運(yùn)行速度為 100 km/h。根據(jù)軟件的功能,對(duì)該車輛的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了計(jì)算分析和一系或二系懸掛參數(shù)優(yōu)化,分別進(jìn)行垂向或橫向振動(dòng)特性分析、整車隨機(jī)響應(yīng)預(yù)測等計(jì)算。

以下僅列出剛體模態(tài)計(jì)算及阻尼優(yōu)化分析結(jié)果。

由表1計(jì)算結(jié)果可知,二系垂向阻尼對(duì)車體模態(tài)影響很大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),一般在 AW0(空載)或AW2(額定荷載)下使車體剛體振動(dòng)模態(tài)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(cè))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(jié)果可知,二系橫向阻尼對(duì)車體模態(tài)影響很大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),一般在AW0/AW2荷載下使車體剛體振動(dòng)模態(tài)阻尼比在25%～30%較合適,因此二系橫向阻尼調(diào)整為40 kNs/m(每轉(zhuǎn)向架)。

表2 不同二系橫向阻尼下的AW0和AW2動(dòng)車體主要振型的阻尼比變化 %

表3 動(dòng)車有阻尼固有頻率和阻尼比

為了驗(yàn)證軟件程序和模型的正確性,按照BenchmarkⅠ[7]所定義的車輛參數(shù),采用上述B型地鐵車輛模型,用該軟件進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,并比較其結(jié)果。根據(jù)設(shè)定參數(shù)計(jì)算出來的車輛模態(tài)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)與BenchmarkⅠ的結(jié)果比較如表4。

表4 各模態(tài)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(yùn)行,能夠滿足所需的動(dòng)力學(xué)計(jì)算功能。

4 結(jié)語

本文介紹的作為一種以MATLAB/GUI為開發(fā)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)分析軟件,結(jié)合了當(dāng)前對(duì)于軌道車輛動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域的研究成果,并基于模型的動(dòng)力學(xué)仿真方法。其主要優(yōu)缺點(diǎn)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(fā)周期;

2)基于模型庫的程序指針環(huán)境更易于版本更新和控制;

3)開放性的開發(fā)環(huán)境使用戶更易于定制并對(duì)軟件進(jìn)行二次開發(fā);

4)目前測試環(huán)境下的繪圖顯示區(qū)域尚不成熟,用戶自由度較小;

5)由于MAT LAB編譯器的GUI運(yùn)行環(huán)使其計(jì)算速度低于普通商用軟件。

該軟件通過在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用,各個(gè)GUI界面模塊能夠互相切換和聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能要求,能夠進(jìn)行車輛模型的模態(tài)計(jì)算和時(shí)域動(dòng)態(tài)仿真;通過與GENSYS,SIMPACK,ADAMS和NUCARS的相同指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行比較,證實(shí)該軟件中所用的模型與之接近;對(duì)于將來基于MAT LAB/GUI的此類動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件的開發(fā),它具有一定的參考價(jià)值。

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