高速列車多學科仿真集成可視化平臺研究

張紹東，邱利偉，劉振宇，田粟裕，劉志昆

（1.唐山軌道客車有限責任公司, 唐山 063035 ；2.浙江大學 CAD&CG國家重點實驗室, 杭州 310027）

高速列車的設(shè)計制造是機電一體化的復雜工程，涉及機械結(jié)構(gòu)、電力電子、橋梁道路、空氣流場等技術(shù)。在高速列車設(shè)計過程中，需要進行結(jié)構(gòu)模態(tài)、輪軌噪聲、車體流場和多體動力學等多學科有限元分析，以確保高速列車的安全性、快速性和舒適性。為了更好地評價多學科有限元分析的結(jié)果，并直觀地展示高速列車的運行過程，有必要構(gòu)建一個高速列車多學科仿真集成可視化平臺。相對于一般機電產(chǎn)品的多學科仿真[1]，高速列車多學科仿真集成可視化存在兩方面難點：多學科有限元分析的結(jié)果數(shù)據(jù)需要通過異構(gòu)網(wǎng)格的融合處理才能在統(tǒng)一的仿真軟件中集成可視化；高速列車的海量數(shù)據(jù)難以仿真分析和集成顯示。

本文在高速列車三維CAD模型進行結(jié)構(gòu)、流場、噪聲等多學科仿真分析的基礎(chǔ)上，通過各類分析軟件與可視化軟件之間的數(shù)據(jù)接口的梳理和開發(fā)，研究了模型的網(wǎng)格簡化方法及異構(gòu)有限元模型之間的網(wǎng)格融合技術(shù)，實現(xiàn)了高速列車多學科仿真分析結(jié)果在同一可視化平臺上的集成。

1 多學科仿真集成平臺的功能與接口

高速列車多學科仿真集成可視化平臺建立的基本思路是：在高速列車的三維CAD模型的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)、流場、噪聲等多學科仿真，然后將多學科仿真結(jié)果在統(tǒng)一的軟件界面中可視化；整個多學科仿真流程和仿真數(shù)據(jù)由統(tǒng)一的多學科仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)來整合管理；某種型號的高速列車集成可視化的數(shù)據(jù)文件可以存儲在數(shù)據(jù)庫中，供用戶使用。高速列車多學科仿真集成可視化平臺的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 高速列車多學科仿真集成可視化平臺的構(gòu)架

在多學科仿真過程中，高速列車的原始CAD模型采用Pro/E構(gòu)建，有限元仿真部分采用ANSYS進行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，采用SIMPACK進行動力學分析，采用FLUENT進行流場分析，采用VIRTUAL LAB進行輪軌噪聲分析。本文提出了將有限元分析結(jié)果在ENSIGHT軟件中實現(xiàn)集成可視化。整個仿真流程由數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)整合管理，仿真結(jié)果及中間文件存儲在底層Oracle多學科仿真數(shù)據(jù)庫中，供用戶使用。用于多學科集成可視化的ENSIGHT軟件具有強大的接口導入功能，能夠識別大部分有限元軟件的分析結(jié)果，但缺少動力學分析軟件SIMPACK以及振動噪聲軟件VIRTUAL LAB的接口，因此進行了自行開發(fā)。針對高速列車多學科仿真集成可視化平臺，有限元分析軟件的仿真結(jié)果需要提取的物理量以及與ENSIGHT軟件的接口情況如表1所示，virtual.lab接口開發(fā)如圖2所示，simpack軟件接口開發(fā)如圖3所示。

表1 Ensight與分析軟件接口情況

圖2 virtual.lab接口開發(fā)

圖3 simpack軟件接口開發(fā)

2 高速列車網(wǎng)格模型的簡化

高速列車多學科仿真的顯著特點是海量數(shù)據(jù)，體現(xiàn)在兩個方面：高速列車CAD三維模型的數(shù)據(jù)量很大；有限元分析結(jié)果的數(shù)據(jù)量也很大。以高速列車動車組的頭車為例，一個車頭的Pro/E三維模型就有3 G數(shù)據(jù)量。如此大的數(shù)據(jù)模型不僅難以在普通計算機內(nèi)存中儲存，也難以導入有限元軟件中分析。多個學科有限元分析的結(jié)果數(shù)據(jù)要導入ENSIGHT軟件中集成顯示，形成的海量數(shù)據(jù)難以實時可視化。

采用二次誤差測度QEM方法[2～3]對高速列車的Pro/E原始三維模型進行簡化。圖4是車頭骨架的STL格式的原始模型，圖5是骨架簡化50%的結(jié)果，圖6是骨架簡化90%的結(jié)果，可見得到的簡化結(jié)果在只有原來節(jié)點數(shù)目10%的情況下，能保證幾何特征和輪廓誤差要求，能夠滿足可視化要求。

圖4 原始模型

圖5 簡化50%

圖6 簡化90%

大規(guī)模有限元仿真分析的結(jié)果簡化涉及到網(wǎng)格面片的幾何模型和節(jié)點信息的物理屬性。有限元仿真分析中運用的單元模型眾多，必須將單元模型三角化，從而能夠基于統(tǒng)一的網(wǎng)格模型來簡化。在有限元分析的結(jié)果數(shù)據(jù)中，存在很多輔助邊界面片信息，因此需要剔除。由于節(jié)點具有物理屬性，因此需要將屬性值作為節(jié)點的權(quán)值，從而在簡化過程中將物理屬性與幾何模型同時考慮?？紤]到上述問題，項目組在原幾何模型簡化的基礎(chǔ)上進一步完善，將節(jié)點幾何誤差與節(jié)點物理屬性誤差綜合考慮，從而建立節(jié)點收縮代價鏈表，進行逐步簡化，具體算法步驟如下：

Step1：在有限元分析的結(jié)果數(shù)據(jù)中，按照幾何數(shù)據(jù)量要求和模型分析可視化要求，抽取出關(guān)鍵簡化部件，去除冗余信息；

Step2：將有限元分析結(jié)果模型轉(zhuǎn)化為幾何結(jié)構(gòu)模型，從而建立點、邊、面的拓撲結(jié)構(gòu)。建立待簡化模型的邊節(jié)點數(shù)據(jù)鏈表，實現(xiàn)模型的邊鏈表和節(jié)點存儲，以便于整個模型的邊鏈表和節(jié)點搜索；

Step3：根據(jù)節(jié)點物理屬性建立節(jié)點向量，并賦予初始權(quán)重值，構(gòu)建各三角形面片的頂點及其物理屬性的網(wǎng)格模型；

Step4：搜索所有的有效邊鏈表，建立各邊的有效收縮點，從而建立所有邊的收縮代價鏈表，使收縮后面積變化最??；

Step5：在邊收縮代價鏈表中，選擇代價最小的進行收縮，然后更新邊鏈表的代價鏈表，繼續(xù)上述收縮操作，直到達到預定的簡化數(shù)目為止；

Step6：將簡化后的幾何模型，轉(zhuǎn)化成有限元仿真分析模型的結(jié)構(gòu)形式，建立單元模型拓撲結(jié)構(gòu)，生成用于集成可視化的數(shù)據(jù)文件。

按照上述算法，以高速列車橫風仿真分析結(jié)果為例，簡化前幾何模型數(shù)據(jù)為16 073 K、物理屬性文件為3 097 K，而簡化95%的模型導出后的幾何模型數(shù)據(jù)為295 K、物理屬性文件為26 K，滿足高速列車多學科仿真集成可視化的要求。

3 多學科仿真異構(gòu)網(wǎng)格的融合

高速列車多學科仿真的分析結(jié)果將在ENSIGHT軟件中實現(xiàn)集成可視化。由于ENSIGHT軟件支持單個有限元軟件分析結(jié)果的可視化，但無法實現(xiàn)多種有限元軟件分析數(shù)據(jù)的集成可視化，因而需要對多學科仿真結(jié)果進行異構(gòu)網(wǎng)格的融合處理。各類有限元軟件網(wǎng)格模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各不相同，通常有限元分析的結(jié)果數(shù)據(jù)由兩部分組成[4]：（1）幾何信息，包括網(wǎng)格節(jié)點、網(wǎng)格單元、特征線以及特征面等元素；（2）物理屬性，包括有限元邊界條件、施加的載荷、節(jié)點對應(yīng)的場量值等信息。

異構(gòu)網(wǎng)格融合的前提是構(gòu)建統(tǒng)一的有限元網(wǎng)格模型。網(wǎng)格模型的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示，統(tǒng)一有限元模型中的節(jié)點數(shù)目和單元大小根據(jù)集成可視化的要求確定。

在統(tǒng)一的有限元網(wǎng)格模型的節(jié)點上賦予物理屬性值，這需要進行空間節(jié)點間的插值運算，算法步驟如下：

Step1：根據(jù)統(tǒng)一模型中某節(jié)點的空間坐標值，記為P(xP, yP, zP)，搜索原始有限元分析的結(jié)果文件中距離P點最近的節(jié)點，并記為Q；

Step2：從Q點開始，在原始有限元分析的結(jié)果文件中查找Q點的相鄰節(jié)點，以及其他相鄰點等，將這組節(jié)點記為{Q}，使得{Q}構(gòu)成的單元體包含P點，并到P點的距離之和最??；

Step3：以P點到{Q}中各點的距離為權(quán)重，根據(jù){Q}中各節(jié)點的物理屬性值計算P點對應(yīng)的物理屬性值。

按照上述方法即可獲得統(tǒng)一的有限元網(wǎng)格模型中的節(jié)點物理屬性值，實現(xiàn)高速列車多學科仿真過程中異構(gòu)網(wǎng)格的融合。

4 高速列車多學科集成可視化實例

目前京滬高速鐵路中使用的CRH-3型高速動車組由中國北車集團唐山車輛廠負責研發(fā)和生產(chǎn)。在高速動車組列車設(shè)計階段，通過讀取Pro/E模型數(shù)據(jù)和有限元仿真數(shù)據(jù)，進行CAD網(wǎng)格模型簡化和有限元網(wǎng)格模型簡化，在多學科異構(gòu)網(wǎng)格融合的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了高速列車的集成可視化，在同一平臺下同時獲知不同物理場的結(jié)果信息，更直觀地展示出各場間的相互影響和聯(lián)系。隧道中的運動學和外流場集成可視化如圖7所示。內(nèi)流場與振動模態(tài)集成可視化如圖8所示。

5 結(jié)束語

圖7 隧道中的運動學和外流場集成可視化

圖8 內(nèi)流場與振動模態(tài)集成可視化

高速列車多學科仿真集成可視化平臺，通過對高速列車的三維CAD模型進行結(jié)構(gòu)、流場、噪聲等多學科仿真，實現(xiàn)多學科仿真結(jié)果的集成可視化。本文開發(fā)了相關(guān)軟件之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，著重研究了高速列車海量數(shù)據(jù)的簡化與多學科異構(gòu)網(wǎng)格的融合技術(shù)。集成可視化平臺可以更好地評價高速列車多學科有限元分析的結(jié)果，為研究從多場的角度考慮各單場之間對整車的性能影響以及各單場之間的相互影響關(guān)系提供了手段和技術(shù)支持。

[1]Gupta R, Whitney D, Zeltzer D. Prototyping and design for assembly analysis using multimodal virtual environments [J].Computer-aided design, 1997, 29(8): 585-597.

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