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摘要:如今传统车辆-桥梁耦合系统动力学理论已日臻完善,理论分析已能在一定程度上代替试验工作,从而可以节省大量的人力、物力。但随着科技发展,机电技术正逐渐应用于现代车辆悬挂系统的设计中。目前悬挂系统已从传统的被动悬挂发展到了主动悬挂阶段,悬挂是影响车辆动力性能的关键部件,而车辆动力性能直接关系到了桥梁的动力性能,如何评估主动悬挂技术的采用对车辆-桥梁耦合系统动力性能的影响,成为车辆与桥梁动力相互作用研究需要面对的问题,也即是车辆-桥梁耦合系统动力学与控制问题,针对如何解决该问题本文提出了切实可行的研究思路。
关键词:车辆桥梁动力学控制研究思路
中图分类号:U463 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)03(a)-0253-02
1 引言
车辆在桥梁结构上运行时,车辆与桥梁结构之间会发生动力相互作用,随着桥梁结构跨度的不断增大,车辆速度的持续提高这种动力相互作用愈发明显也因此愈发引起重视,这也推动了车辆与桥梁结构动力相互作用研究长足的发展,并已有一系列影响深远的相关专著出版[1～5]。
如今传统车辆-桥梁耦合系统动力学理论已日臻完善,理论分析已能在一定程度上代替试验工作,从而可以节省大量的人力、物力。但随着科技发展,机电技术正逐渐应用于现代车辆悬挂系统的设计中。目前悬挂系统已从传统的被动悬挂发展到了主动悬挂阶段,悬挂是影响车辆动力性能的关键部件,而车辆动力性能直接关系到了桥梁结构的动力性能,如何评估主动悬挂技术的采用对车辆-桥梁耦合系统动力性能的影响,成为车辆与桥梁动力相互作用研究需要面对的问题,也即是铁路车桥耦合系统动力学与控制问题。目前关于这一问题的研究还未充分展开,下面介绍针对如何解决该问题,本文所采用的研究思路。
2 研究思路
由于车辆-桥梁耦合系统的复杂性,在进行车辆-桥梁耦合系统动力学与控制问题的研究时理论求解十分困难,必须借助计算机仿真手段进行数值求解。同时对于因机电技术的采用而引发出的动力学与控制问题,仅从单方面进行仿真研究往往是不够全面的,一方面控制系统的控制力会潜在地影响动力系统的动力性能,而另一面动力系统的动力性能也直接关系到了控制系统控制效果,因此在仿真研究中必须采用动力学与控制一体化仿真的思路。动力学与控制一体化仿真研究涉及到仿真工具选择以及仿真研究方法的确定。
2.1 仿真工具选择
车辆-桥梁耦合系统动力学与控制问题,可以分解为车辆动力学与控制与车辆-桥梁耦合系统动力学两个子问题。针对这两个子问题的研究都已经非常充分了,这也就使车辆-桥梁耦合系统动力学与控制问题的研究有了坚实的基础,下面介绍这两个子问题研究特点,同时据此进行仿真工具的选择。
目前对于车辆动力学与控制一体化仿真问题,多平台联合仿真与单平台独立仿真都有应用,多平台联合仿真主要采用的方案是利用常用的多体动力学软件MSC.ADAMS(VI/rail)、Simpack进行动力学分析,利用MATLAB/Simulink进行控制力计算,二者通过系统接口进行数据交换实现动力学与控制一体化仿真;单平台独立仿真是采用MATLAB/Simulink单一平台来进行动力学分析与控制力的计算,由于在同一平台下所以动力学分析与控制力数据可实现无缝交换。对于车辆-桥梁耦合系统动力学仿真问题,由于问题的复杂性,没有成熟商业软件可供利用,有研究者尝试通过多个商业软件进行联合仿真来达到车梁-桥梁耦合系统动力学分析的目的,但就总体而言,目前的大型商业软件用于车辆-桥梁耦合动力分析始终存在计算精度不足及效率较低的问题。为此20世纪80年代以来,我国的一些研究院和高校对车辆-桥梁耦合动力学进行了一系列的研究和探索,各自建立了车辆-桥梁计算模型,并编制了相应的计算程序。
从以上两个子问题的研究来看,对于车辆-桥梁耦合动力学与控制一体化仿真问题选用MATLAB/Simulink仿真系统是合适的,这主要是由于MATLAB/Simulink既有商业软件的成熟性,又有自编软件的灵活性,可与C和Fortran语言混合编译并具备并行计算的功能,这样就可充分利用现有车辆-桥梁耦合系统动力学仿真分析代码,使仿真建模效率、仿真执行速度以及仿真结果可靠性都有充分的保证。
2.2 仿真研究方法
车辆-桥梁耦合系统是一个复杂的大系统,车辆与桥梁通过轮轨接触点处的几何相容条件和静力平衡条件这两条纽带联系起来。对于车辆-桥梁耦合系统动力分析仿真问题,可根据一般系统仿真的处理法则:即采取“分而治之”的办法。将一个大系统分为若干个子系统,再根据具体的对象和研究目标确定模型的规模和与之相关的边界,获得有效的特定模型。依据此方法,采用自上向下的策略建立车辆-桥梁耦合系统的整体结构模型,然后再实现系统每一部分的模型。整个系统包括如下子系统:车辆子系统、桥梁子系统、轮轨子系统以及轨道不平顺子系统。为提高车辆子系统仿真建模效率,保证对象模块的通用性、可维护性、可扩充性,车辆子系统仿真模型采用面向对象方法进行建立,面向对象的建模方法是一个由底层向顶层的建模方法,根据面向对象的方法,整个模型可以被看成一系列离散对象的结合,对象具有封装性、抽象性、多态性和继承性。在进行车辆-桥梁耦合系统动力学仿真研究时,桥梁有限元振动方程的建立是工作量较大的部分,采用通用有限元分析软件获取桥梁结构特性矩阵建立桥梁振动方程无疑是高效、便捷的方法,目前大型有限元分析元件ANSYS因其具有计算结果可靠以及极佳的二次开发功能得到了工程界广泛应用,为此选用ANSYS进行桥梁有限元建模,同时根据ANSYS的数据存储规则编制其与MATLAB进行数据转换的程序,充分利用ANSYS有限元建模功能。
在具体实施时首先建立基于分离迭代法的车辆-桥梁耦合系统动力学分析仿真平台,然后建立车辆主动悬挂测控系统仿真模型,由于车辆-桥梁耦合系统动力学分析仿真平台中车辆系统的面向对象特性,所以可以方便的将主动悬挂测控系统扩展至车辆-桥梁耦合系统动力学仿真平台进而实现车辆-桥梁耦合系统动力学与控制一体化仿真。本文所建立的车辆-桥梁耦合系统动力学与控制仿真平台及其分析流程如图1、图2所示。
3 结语
目前关于车辆-桥梁耦合系统动力学与控制问题还未充分展开,随着机电技术在现代车辆悬挂设计中逐渐广泛的应用,使得对这一问题的研究更显迫切,本文在现有理论与技术基础上为解决车辆-桥梁耦合系统动力学与控制问题提出了切实可行的研究思路。
参考文献
[1] 夏禾,张楠.车辆-结构动力相互作用(第二版)[M].北京:科学出版社,2005.
[2] 潘家英,高芒芒.铁路车-线-桥系统动力分析[M].北京:中国铁道出版社,2008.
[3] 曾庆元,郭向荣.列车桥梁时变系统振动分析理论及应用[M].北京:中国铁道出版社,1999.
[4] Yang Y B,Yau J D,Wu Y S. Vehicle-bridge interaction dynamics: with application to high-speed railway[M].Singapore: World Scientific,2004.
[5] 姚忠达,杨永斌.高速铁路车-桥互制理论[M].台湾:图文技术服务有限公司出版,1999.
[6] 康熊.铁路计算机仿真技术[M].北京:中国铁道科学出版社,2010.
[7] 薛定宇.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2002.
关键词:车辆桥梁动力学控制研究思路
中图分类号:U463 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)03(a)-0253-02
1 引言
车辆在桥梁结构上运行时,车辆与桥梁结构之间会发生动力相互作用,随着桥梁结构跨度的不断增大,车辆速度的持续提高这种动力相互作用愈发明显也因此愈发引起重视,这也推动了车辆与桥梁结构动力相互作用研究长足的发展,并已有一系列影响深远的相关专著出版[1～5]。
如今传统车辆-桥梁耦合系统动力学理论已日臻完善,理论分析已能在一定程度上代替试验工作,从而可以节省大量的人力、物力。但随着科技发展,机电技术正逐渐应用于现代车辆悬挂系统的设计中。目前悬挂系统已从传统的被动悬挂发展到了主动悬挂阶段,悬挂是影响车辆动力性能的关键部件,而车辆动力性能直接关系到了桥梁结构的动力性能,如何评估主动悬挂技术的采用对车辆-桥梁耦合系统动力性能的影响,成为车辆与桥梁动力相互作用研究需要面对的问题,也即是铁路车桥耦合系统动力学与控制问题。目前关于这一问题的研究还未充分展开,下面介绍针对如何解决该问题,本文所采用的研究思路。
2 研究思路
由于车辆-桥梁耦合系统的复杂性,在进行车辆-桥梁耦合系统动力学与控制问题的研究时理论求解十分困难,必须借助计算机仿真手段进行数值求解。同时对于因机电技术的采用而引发出的动力学与控制问题,仅从单方面进行仿真研究往往是不够全面的,一方面控制系统的控制力会潜在地影响动力系统的动力性能,而另一面动力系统的动力性能也直接关系到了控制系统控制效果,因此在仿真研究中必须采用动力学与控制一体化仿真的思路。动力学与控制一体化仿真研究涉及到仿真工具选择以及仿真研究方法的确定。
2.1 仿真工具选择
车辆-桥梁耦合系统动力学与控制问题,可以分解为车辆动力学与控制与车辆-桥梁耦合系统动力学两个子问题。针对这两个子问题的研究都已经非常充分了,这也就使车辆-桥梁耦合系统动力学与控制问题的研究有了坚实的基础,下面介绍这两个子问题研究特点,同时据此进行仿真工具的选择。
目前对于车辆动力学与控制一体化仿真问题,多平台联合仿真与单平台独立仿真都有应用,多平台联合仿真主要采用的方案是利用常用的多体动力学软件MSC.ADAMS(VI/rail)、Simpack进行动力学分析,利用MATLAB/Simulink进行控制力计算,二者通过系统接口进行数据交换实现动力学与控制一体化仿真;单平台独立仿真是采用MATLAB/Simulink单一平台来进行动力学分析与控制力的计算,由于在同一平台下所以动力学分析与控制力数据可实现无缝交换。对于车辆-桥梁耦合系统动力学仿真问题,由于问题的复杂性,没有成熟商业软件可供利用,有研究者尝试通过多个商业软件进行联合仿真来达到车梁-桥梁耦合系统动力学分析的目的,但就总体而言,目前的大型商业软件用于车辆-桥梁耦合动力分析始终存在计算精度不足及效率较低的问题。为此20世纪80年代以来,我国的一些研究院和高校对车辆-桥梁耦合动力学进行了一系列的研究和探索,各自建立了车辆-桥梁计算模型,并编制了相应的计算程序。
从以上两个子问题的研究来看,对于车辆-桥梁耦合动力学与控制一体化仿真问题选用MATLAB/Simulink仿真系统是合适的,这主要是由于MATLAB/Simulink既有商业软件的成熟性,又有自编软件的灵活性,可与C和Fortran语言混合编译并具备并行计算的功能,这样就可充分利用现有车辆-桥梁耦合系统动力学仿真分析代码,使仿真建模效率、仿真执行速度以及仿真结果可靠性都有充分的保证。
2.2 仿真研究方法
车辆-桥梁耦合系统是一个复杂的大系统,车辆与桥梁通过轮轨接触点处的几何相容条件和静力平衡条件这两条纽带联系起来。对于车辆-桥梁耦合系统动力分析仿真问题,可根据一般系统仿真的处理法则:即采取“分而治之”的办法。将一个大系统分为若干个子系统,再根据具体的对象和研究目标确定模型的规模和与之相关的边界,获得有效的特定模型。依据此方法,采用自上向下的策略建立车辆-桥梁耦合系统的整体结构模型,然后再实现系统每一部分的模型。整个系统包括如下子系统:车辆子系统、桥梁子系统、轮轨子系统以及轨道不平顺子系统。为提高车辆子系统仿真建模效率,保证对象模块的通用性、可维护性、可扩充性,车辆子系统仿真模型采用面向对象方法进行建立,面向对象的建模方法是一个由底层向顶层的建模方法,根据面向对象的方法,整个模型可以被看成一系列离散对象的结合,对象具有封装性、抽象性、多态性和继承性。在进行车辆-桥梁耦合系统动力学仿真研究时,桥梁有限元振动方程的建立是工作量较大的部分,采用通用有限元分析软件获取桥梁结构特性矩阵建立桥梁振动方程无疑是高效、便捷的方法,目前大型有限元分析元件ANSYS因其具有计算结果可靠以及极佳的二次开发功能得到了工程界广泛应用,为此选用ANSYS进行桥梁有限元建模,同时根据ANSYS的数据存储规则编制其与MATLAB进行数据转换的程序,充分利用ANSYS有限元建模功能。
在具体实施时首先建立基于分离迭代法的车辆-桥梁耦合系统动力学分析仿真平台,然后建立车辆主动悬挂测控系统仿真模型,由于车辆-桥梁耦合系统动力学分析仿真平台中车辆系统的面向对象特性,所以可以方便的将主动悬挂测控系统扩展至车辆-桥梁耦合系统动力学仿真平台进而实现车辆-桥梁耦合系统动力学与控制一体化仿真。本文所建立的车辆-桥梁耦合系统动力学与控制仿真平台及其分析流程如图1、图2所示。
3 结语
目前关于车辆-桥梁耦合系统动力学与控制问题还未充分展开,随着机电技术在现代车辆悬挂设计中逐渐广泛的应用,使得对这一问题的研究更显迫切,本文在现有理论与技术基础上为解决车辆-桥梁耦合系统动力学与控制问题提出了切实可行的研究思路。
参考文献
[1] 夏禾,张楠.车辆-结构动力相互作用(第二版)[M].北京:科学出版社,2005.
[2] 潘家英,高芒芒.铁路车-线-桥系统动力分析[M].北京:中国铁道出版社,2008.
[3] 曾庆元,郭向荣.列车桥梁时变系统振动分析理论及应用[M].北京:中国铁道出版社,1999.
[4] Yang Y B,Yau J D,Wu Y S. Vehicle-bridge interaction dynamics: with application to high-speed railway[M].Singapore: World Scientific,2004.
[5] 姚忠达,杨永斌.高速铁路车-桥互制理论[M].台湾:图文技术服务有限公司出版,1999.
[6] 康熊.铁路计算机仿真技术[M].北京:中国铁道科学出版社,2010.
[7] 薛定宇.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2002.