CN102521434A

CN102521434A - 一种轨道交通车辆门系统锁闭装置动力学仿真分析方法

Info

Publication number: CN102521434A
Application number: CN2011103872944A
Authority: CN
Inventors: 朱松青; 史翔; 许有熊; 韩亚丽; 陈茹雯; 巩智兵
Original assignee: Nanjing Institute of Technology; Nanjing Kangni Mechanical and Electrical Co Ltd
Current assignee: Nanjing Institute of Technology; Nanjing Kangni Mechanical and Electrical Co Ltd
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: CN102521434B

Abstract

本发明属于动力学仿真分析方法领域，公开了一种轨道交通车辆门系统锁闭装置动力学仿真分析方法，主要步骤如下：（1）在SolidWorks软件环境下，对锁闭装置零部件进行三维建模，并将三维模型转换为ADAMS可导入的中性格式文件；（2）将该中性文件导入ADAMS软件中，生成锁闭装置的AMDAMS多体动力学仿真模型；（3）对仿真模型进行前处理设置，设置材料属性、约束副、载荷及驱动，并进行仿真计算；（4）搭建实验测试平台，并进行实验测试；（5）将仿真结果与实验结果进行比较；（6）进行不同参数和工况下的锁闭装置动力学特性仿真分析。本发明的方法建立了门系统锁闭装置的虚拟样机，进行锁闭装置的优化设计，降低了开发成本、缩短了开发周期。

Description

一种轨道交通车辆门系统锁闭装置动力学仿真分析方法

技术领域

本发明属于动力学仿真分析方法领域，特别是涉及一种轨道交通车辆门系统锁闭装置动力学仿真分析方法。

背景技术

轨道交通运输系统是国民经济运行的大动脉。随着轨道交通的迅速发展，车辆速度的不断提高，这对轨道车辆车门系统的性能要求也越来越高。例如：寿命的要求、轻量化、不同环境的适应性等要求。作为车门系统的重要组成部件――锁闭装置的性能很大程度上影响门系统的性能。因此，需要对锁闭装置进行新形势要求下的优化设计，提高其性能，以满足门系统的高可靠性、高安全性。要进行锁闭装置的优化设计，实验是直接和有效的方法。但实验要在样机生产完成之后才能进行，且当通过实验发现问题时，需要修改设计，再加工样机，再进行样机实验，如此反复进行，这存在着成本高、风险大、开发周期长等缺点；且在实验设计过程，其参数大多是试凑法，也往往不是最优的，因此不能有效地提高门系统锁闭装置的性能。

如何在提高产品质量，确保产品的高安全性和高可靠性的基础上，降低产品开发周期和开发成本，已成为现代企业立足市场的关键法宝。

随着计算机技术的快速发展而发展起来的虚拟样机技术，是以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，将分散的零部件设计和分析技术集成在一起对设计产品进行虚拟性能测试的一种高新技术。它可以在很短时间内完成多次物理样机无法完成的仿真试验，分析不同的设计方案，直至获得样机模型整机系统的优化方案。另外，还能够进行系统不同工况的试验，如不同温度下的性能测试等。利用虚拟样机技术不但可以降低开发成本、缩短开发周期，而且可以极大地提高产品设计的质量。

因此，采用虚拟样机技术，建立门系统锁闭装置动力学虚拟样机的仿真平台，对锁闭装置在各种工况下随载荷变化的运行状态及随时间变化过程进行仿真模拟，得到仿真输出参数和结果，以此来估计和准确推断实际运行的各种数据，并对其进行动态分析、计算和优化设计。这可降低开发成本、缩短开发周期，而且可以极大地提高产品设计的质量，具有很高的经济效益。

发明内容

要解决的问题

本发明的目的在于解决通过样机实验进行优化设计的缺陷，提供一种轨道交通车辆门系统锁闭装置动力学仿真分析方法，进行锁闭装置的优化设计，以降低开发成本、缩短开发周期，提高产品设计的质量。

技术方案

一种轨道交通车辆门系统锁闭装置动力学仿真分析方法，包括以下步骤：

1）在SolidWorks软件环境下，对锁闭装置零部件进行三维建模，并将三维模型转换为ADAMS仿真软件可导入的中性格式文件。

2）将该中性文件导入ADAMS软件中，生成锁闭装置的AMDAMS多体动力学虚拟样机仿真模型。

3）对仿真模型进行前处理设置，设置零部件材料属性、各零件之间的约束副、外界载荷及电机驱动参数，并调用ADAMS/Solver进行仿真计算，输出锁闭装置的位移、速度、加速度及各零件之间的相互作用力仿真结果。

4）搭建锁闭装置实验测试平台，并进行锁闭装置实验测试，测得锁闭装置的位移、速度、加速度及摩擦力实验结果。

5）将步骤3）锁闭装置的仿真结果与步骤4）锁闭装置的实验结果进行比较，若两者的位移曲线、加速度曲线误差小于10％，说明所建模型是准确，可进行后续的步骤6）；若两者误差大于10％，说明所建模型与真实模型具有较大的误差，则返回步骤3），进行参数修改，调整（增大或降低）各约束副的接触参数，重新进行仿真，输出仿真结果，直至两者的误差小于10％。

6）进行在不同材料刚度属性、润滑条件和工况下的锁闭装置动力学特性仿真分析，输出锁闭装置的位移、速度、加速度及各零件之间的相互作用力，并比较仿真结果，掌握不同工况下锁闭装置的动力学特性，分析不同工况下滚动锁销2的受力情况；并以优化滚动锁销2的受力情况为仿真目标，以正交表为优化工具，寻找最佳的材料属性、润滑条件，进而作为锁闭装置后续改进的理论依据。

其中，所述步骤1）仿真模型包括的零件有：门板1，滚动锁销2，丝杆3，支撑块4，过渡套5，螺母套6，定位螺钉7，螺母座8，锁套9。

所述步骤3）仿真模型中的零件材料属性为：门板1为硬铝合金，滚动锁销2为钢铁，丝杆3为钢铁，支撑块4为钢铁，过渡套5为黄铜，螺母套6为硬铝合金，定位螺钉7为钢铁，螺母座8为硬铝合金，锁套9为工程塑料。

所述步骤3）约束副包括：门板1与ADAMS中ground（大地）设置移动副；门板1与螺母套6设置旋转副；滚动锁销2与丝杆3设置接触；滚动锁销2与螺母套6设置旋转副；丝杆3与支撑块4设置旋转副；丝杆3与过渡套5设置接触；丝杆3与锁套9设置接触；支撑块4与ADAMS中ground（大地）固连；过渡套5与定位螺钉7设置接触；过渡套5与螺母座8设置旋转；过渡套5与螺母套6设置球铰副；螺母套6与定位螺钉7设置固连；螺母座8与锁套9设置固连。

步骤3）所述载荷和驱动包括：门板1设置外界等效载荷，螺母套6与螺母座8设置扭簧载荷，丝杆3设置旋转动力驱动。

有益效果

与现有传统技术相比，本发明提出的仿真分析方法具有下列益处：

（1）本发明通过建立门系统锁闭装置的虚拟样机，进行锁闭装置的动力学仿真分析，分析不同参数和工况下锁闭装置的动力学特性，以仿真结果为依据，进行锁闭装置的优化设计，避免传统分析方法需要在实际样机完成后才能进行的缺点，直接通过计算机虚拟环境就可以定量、准确分析锁闭装置的动力学性能，可大大降低开发成本、缩短开发周期，降低产品开发的风险。

（2）传统分析方法的调试过程，其系统参数大多是试凑法，调试过程繁琐，其调试后的参数也往往不是最优的，不能有效地提高锁闭装置的性能；而本方法的参数调试过程直接通过计算机实现，方便快捷，并可采用先进的优化算法，如正交表优化设计，这可以极大地提高参数的最优化，提高产品设计的速度和质量，具有很高的经济效益。

附图说明

图1本发明轨道交通车辆门系统锁闭装置动力学仿真分析方法的流程图；

图2锁闭装置动力学仿真模型图；

图3滚动锁销2位移曲线（开门过程）；

图4滚动锁销2速度曲线（开门过程）；

图5滚动锁销2加速度曲线（开门过程）；

图6滚动锁销2受力曲线（开门过程）；

图7滚动锁销2位移曲线（关门过程）；

图8滚动锁销2速度曲线（关门过程）；

图9滚动锁销2加速度曲线（关门过程）；

图10滚动锁销2受力曲线（关门过程）。

图中标号名称：1.门板；2.滚动锁销；3.丝杆；4.支撑块；5.过渡套；6.螺母套；7.定位螺钉；8.螺母座；9.锁套。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细地描述，但本发明的具体实施方式不限于此。凡依本发明的创造精神及特征、模式和实现本发明功能的都在本发明的保护范围之内。

如图1，本发明轨道交通车辆门系统锁闭装置动力学仿真分析方法的流程图，本发明的具体步骤如下：

1）三维建模

在三维造型SolidWorks软件环境下，通过草图绘制、特征拉伸/切除等工具按照实际尺寸对锁闭装置零部件进行三维建模，并利用“配合”命令完成各零部件的装配；将锁闭装置三维装配模型另存为可转换为ADAMS可导入的中性格式文件.x_t。

2）建立仿真模型

在ADAMS/View窗口下新建一个仿真模型，并导入锁闭装置装配模型的.x_t格式文件，生成锁闭装置的AMDAMS多体动力学虚拟样机仿真模型。该仿真模型包括的零件有：门板1，滚动锁销2，丝杆3，支撑块4，过渡套5，螺母套6，定位螺钉7，螺母座8，锁套9。

3）前处理设置及仿真计算

对锁闭装置的多体仿真模型进行前处理设置。

首先，在ADAMS下，右键点击各零件，点击“Modify”设置零部件材料属性，其中，门板1为硬铝合金，滚动锁销2为钢铁，丝杆3为钢铁，支撑块4为硬铝合金，过渡套5为黄铜，螺母套6为硬铝合金，定位螺钉7为钢铁，螺母座8为硬铝合金，锁套9为工程塑料。

其次，在ADAMS下，点击“joints”工具命令，设置各零件之间的约束副，其中各零件间的约束包括：门板1与ADAMS中ground（大地）设置移动副；门板1与螺母套6设置旋转副；滚动锁销2与丝杆3设置接触；滚动锁销2与螺母套6设置旋转副；丝杆3与支撑块4设置旋转副；丝杆3与过渡套5设置接触；丝杆3与锁套9设置接触；支撑块4与ADAMS中ground（大地）固连；过渡套5与定位螺钉7设置接触；过渡套5与螺母座8设置旋转；过渡套5与螺母套6设置球铰副；螺母套6与定位螺钉7设置固连；螺母座8与锁套9设置固连。所施加的载荷和驱动包括：门板1设置外界等效载荷，螺母套6与螺母座8设置扭簧载荷，丝杆3设置旋转动力驱动。

第三，根据锁闭装置的实际受力情况，点击“forces”工具命令，对仿真模型施加外界载荷；根据实际电机的运动规律，点击“joint motion”设置丝杆3的驱动参数。

第四，点击“interactive simulation controls”设置仿真步长和时间，并调用ADAMS/Solver进行仿真计算，输出锁闭装置的位移、速度、加速度及各零件之间的相互作用力仿真结果。

4）搭建实验测试平台

以锁闭装置为主要实验对象，搭建锁闭装置的实验测试平台，并进行实验测试，测得锁闭装置的位移、速度、加速度及摩擦力实验结果，保存其实验结果。

5）比较结果，修正模型

将步骤3）锁闭装置的仿真结果与步骤4）锁闭装置的实验结果进行比较，若两者的位移曲线、加速度曲线误差小于10％，说明所建模型是准确，可进行后续的步骤6）；若两者误差大于10％，说明所建模型与真实模型具有较大的误差，则返回步骤3），进行参数修改，调整（增大或降低）各约束副的接触参数，重新进行仿真，输出仿真结果，直至两者的误差小于10％。

6）仿真分析

进行在不同材料刚度属性、润滑条件和工况下的锁闭装置动力学特性仿真分析，输出锁闭装置的位移、速度、加速度及各零件之间的相互作用力，并比较仿真结果，掌握不同工况下锁闭装置的动力学特性，分析不同工况下滚动锁销2的受力情况；并以优化滚动锁销2的受力情况为仿真目标，以正交表为优化工具，寻找最佳的材料属性、润滑条件，进而作为锁闭装置后续改进的理论依据。

下面以门系统的开关过程中锁闭装置的动力学仿真具体实例，来说明本发明的效果。

实施例1

本实施例以门系统的开门过程为例，来说明本发明的仿真过程。

在ADAMS仿真环境下，外界载荷设置为75N阻力，水平作用在门板1上（与其运动方向相反），电机驱动参数为205r/min（正转），滚动锁销2的接触参数设置见表1。

表1 滚动锁销2的接触参数

参数名称	设置值
		刚度	1e8
力的非线性指数	1.5
		最大粘滞阻尼系数	5e4
最大变形深度	1e-4
		静态阻力系数	0.5
静态阻力的滑移速度	1e-4
		动态阻力系数	0.2
动态阻力转移速度	1e-2

在上述参数设置下，滚动锁销2的位移、速度、加速度及作用力的仿真结果如图3～图6所示。从图3～图6可深入了解到在门系统开门过程中，锁闭装置，特别是滚动锁销2的运动情况及受力情况。具体从图3可知，在滚动锁销2与丝杆3未接触之前，滚动锁销2的接触力为零；在滚动锁销2与丝杆3接触瞬间，滚动锁销2的所受到的接触力为最大，之后，滚动锁销2的接触力有较大幅度的降低，且趋于平衡；相对应的过程从图5也可以看出，在滚动锁销2与丝杆3接触瞬间，滚动锁销2的加速度为最大，滚动锁销2的惯性力也就越大。因此，通过该仿真结果可知，在滚动锁销2与丝杆3接触瞬间，滚动锁销2所受到的接触力为最大，滚动锁销2最容易产生破坏的时刻即为滚动锁销2与丝杆3的接触瞬间时刻。同时，该仿真结果也为后续改善滚动锁销2的受力情况提供理论依据，即可优化电机的驱动参数，降低滚动锁销2与丝杆3接触时的速度，从而降低两者的瞬时接触力。

完成以上建模过程后，下面是模型的调试和分析过程：以锁闭装置为主要实验对象，搭建锁闭装置的实验测试平台，并进行实验测试，测得锁闭装置的位移、速度、加速度及摩擦力实验结果，保存其实验结果。将本次仿真的结果与锁闭装置的实验结果进行比较，若两者的位移曲线、加速度曲线误差小于10％，说明所建模型是准确，然后进行不同材料刚度属性、润滑条件和工况下的锁闭装置动力学特性仿真分析，输出锁闭装置的位移、速度、加速度及各零件之间的相互作用力，并比较仿真结果，掌握不同工况下锁闭装置的动力学特性，分析不同工况下滚动锁销2的受力情况；并以优化滚动锁销2的受力情况为仿真目标，以正交表为优化工具，寻找最佳的材料属性、润滑条件，进而作为锁闭装置后续改进的理论依据；若两者误差大于10％，说明所建模型与真实模型具有较大的误差，从而需要调整（增大或降低）各约束副的接触参数，重新进行仿真，输出仿真结果，直至两者的误差小于10％。

实施例2

本实施例以门系统的关门过程为例，来说明本发明的仿真过程。

在ADAMS仿真环境下，设置外界载荷，电机驱动参数，滚动锁销2的接触参数。其中，外界载荷和滚动锁销2的接触参数同实施例1中所设置的参数，电机驱动参数为50r/min（反转）。在上述参数设置下，滚动锁销2的位移、速度、加速度及作用力的仿真结果如图7～图10所示。从图7～图10可深入了解到在门系统关门过程中，锁闭装置，特别是锁销2的运动情况及受力情况，从中也可以得出类似上述开门过程的结论：即在滚动锁销2与丝杆3接触瞬间，滚动锁销2所受到的接触力为最大，滚动锁销2最容易产生破坏的时刻即为滚动锁销2与丝杆3的接触瞬间时刻。同时，该仿真结果也为后续改善滚动锁销2的受力情况提供理论依据，即可优化电机的驱动参数，降低滚动锁销2与丝杆3接触时的速度，从而降低两者的瞬时接触力。

完成以上建模过程后，模型的调试和分析方法同实施例1。

Claims

1.一种轨道交通车辆门系统锁闭装置动力学仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在SolidWorks软件环境下，对锁闭装置零部件进行三维建模，并将三维模型转换为ADAMS可导入的中性格式文件；

2）将该中性文件导入ADAMS软件中，生成锁闭装置的ADAMS多体动力学虚拟样机仿真模型；

3）对仿真模型进行前处理设置，设置零部件材料属性、各零件之间的约束副、外界载荷及电机驱动参数，并调用ADAMS/Solver进行仿真计算，输出锁闭装置的位移、速度、加速度及各零件之间的相互作用力仿真结果；

4）搭建锁闭装置实验测试平台，并进行锁闭装置实验测试，测得锁闭装置的位移、速度、加速度及摩擦力实验结果；

5）将步骤3）仿真结果与步骤4）实验结果进行比较，若两者的位移曲线、加速度曲线误差小于10％，说明所建模型是准确，可进行后续的步骤6）；若两者误差大于10％，说明所建模型与真实模型具有较大的误差，则返回步骤3），进行参数修改，调整（增大或降低）各约束副的接触参数，重新进行仿真，输出仿真结果，直至两者的误差小于10％；

6）进行在不同材料刚度属性、润滑条件和工况下的锁闭装置动力学特性仿真分析，输出锁闭装置的位移、速度、加速度及各零件之间的相互作用力，掌握不同工况下锁闭装置的动力学特性，分析不同工况下滚动锁销（2）的受力情况；并以优化滚动锁销（2）的受力情况为仿真目标，以正交表为优化工具，寻找最佳的材料属性、润滑条件，进而作为锁闭装置后续改进的理论依据。

2.根据权利要求1所述的轨道交通车辆门系统锁闭装置动力学仿真分析方法，其特征在于，所述步骤1）仿真模型包括的零件有：门板（1），滚动锁销（2），丝杆（3），支撑块（4），过渡套（5），螺母套（6），定位螺钉（7），螺母座（8），锁套（9）。

3.根据权利要求2所述的轨道交通车辆门系统锁闭装置动力学仿真分析方法，其特征在于，所述步骤3）仿真模型中的零件材料属性为：门板（1）为硬铝合金，滚动锁销（2）为钢铁，丝杆（3）为钢铁，支撑块（4）为硬铝合金，过渡套（5）为黄铜，螺母套（6）为硬铝合金，定位螺钉（7）为钢铁，螺母座（8）为硬铝合金，锁套（9）为工程塑料。

4.根据权利要求2或3所述的轨道交通车辆门系统锁闭装置动力学仿真分析方法，其特征在于，所述步骤3）中约束包括：门板（1）与ADAMS中ground设置移动副；门板（1）与螺母套（6）设置旋转副；滚动锁销（2）与丝杆（3）设置接触；滚动锁销（2）与螺母套（6）设置旋转副；丝杆（3）与支撑块（4）设置旋转副；丝杆（3）与过渡套（5）设置接触；丝杆（3）与锁套（9）设置接触；支撑块（4）与ADAMS中ground固连；过渡套（5）与定位螺钉（7）设置接触；过渡套（5）与螺母座（8）设置旋转；过渡套（5）与螺母套（6）设置球铰副；螺母套（6）与定位螺钉（7）设置固连；螺母座（8）与锁套（9）设置固连。

5.根据权利要求4所述的轨道交通车辆门系统锁闭装置动力学仿真分析方法，其特征在于，步骤3）所述载荷和驱动包括：门板（1）设置外界等效载荷，螺母套（6）与螺母座（8）设置扭簧载荷，丝杆（3）设置旋转动力驱动。