CN102880732A - 一种轨道交通车辆门系统动力学联合仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及一种轨道交通车辆门系统动力学联合仿真分析方法，主要步骤为：(1)在SolidWorks环境下，对系统进行三维建模并转换为中性文件，导入ADAMS；(2)在Ansys中进行柔性体部件的模态分析，转换为中性文件，导入ADAMS以替换相应的刚体模型；(3)对仿真模型进行前置处理；(4)在Matlab中建立系统控制模型，通过ADAMS/Control模块对门系统进行仿真控制，完成整个系统的运动学及动力学仿真；(5)搭建实验测试平台，并进行系统的运动实验测试；(6)比较仿真结果与实验结果，不断修正模型；(7)进行正常开、关门及模拟实际工况的运动仿真，寻找最佳的门控系统模式。

Description

一种轨道交通车辆门系统动力学联合仿真分析方法

技术领域

本发明涉及一种利用SolidWorks、Ansys、ADAMS、Matlab进行联合仿真的分析方法，尤其涉及一种轨道车辆门系统动力学联合仿真分析方法。

背景技术

随着轨道交通的迅速发展，轨道车辆的需求逐年增加，作为轨道车辆系统中的一个关键大型部件，轨道车辆门系统的设计引起了轨道车辆设计、运用和运输管理部门的高度关注。轨道车辆门系统的安全性则直接影响轨道车辆安全，近年来，高速车辆系统的可靠性设计成为国内外学者研究的重要课题之一

传统的轨道门系统设计常采用方法是先进行门系统的需求分析，然后生产研制出样机，然后再进行门系统的工作运行实验，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，尤其是当整个门系统的机构部件较多时，这存在着成本高、风险大、开发周期长等缺点；且在进行门系统整体部件设计过程，其参数大多是试凑法，往往不是最优的，因此不能有效地提高门系统的工作性能。

虚拟样机技术是通过机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，结合成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，对设计产品进行虚拟性能测试的一种高新技术。它可以在快速完成多次物理样机无法完成的仿真试验，并能输出相应的仿真结果。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，故应用虚拟样机技术对门系统的动力学特性进行分析研究具有很高的经济效益。

由于轨道车辆门系统机构复杂，包含有丝杆、螺母、门板等刚性体构件，同时还包含承载轮、门板密封条等柔性体构件，并且开、关门的控制系统根据运行需求的不同也较为复杂，故采用SolidWorks进行门系统刚性体的建模、Ansys进行门系统柔性体部件的模态分析、Matlab进行门系统控制算法的建模，最后在ADAMS中实现门系统的联合仿真。据文献检索，基于虚拟样机技术，而将Ansys、Matlab运用于轨道车辆门系统的仿真分析仍未见报道。因此，进行轨道车辆门系统动力学联合仿真分析方法的研究非常必要且具有重要意义。

发明内容

1.要解决的问题

本发明的目的在于针对现有技术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动力学联合仿真分析方法，使其能方便的模拟轨道车辆门系统的开、关门运动情况，真实的反映轨道车辆门的运动机理，以供轨道车辆门研制过程中机械结构设计、控制算法研究以及整体优化等方面

2.技术方案

一种轨道交通车辆门系统动力学联合仿真分析方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在SolidWorks软件环境下，对轨道车辆门系统中主要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)在Ansys中进行门系统中柔性体部件的模态分析，并转换为ADAMS可导入的中性格式文件替换刚体装配体中的刚体模型。

(3)对仿真模型进行前处理设置，设置材料属性、各零件之间的约束副、外界载荷等；

(4)在Matlab中建立轨道车辆门系统的不同控制算法，并通过ADAMS/Control模块实现整个轨道车辆门系统的运动学及动力学仿真，并调用ADAMS/Solver进行仿真计算，输出门系统零部件的位移、速度、加速度及各零件之间的相互作用力等仿真结果。

(5)搭建实验测试平台，并进行门系统运动实验测试，检测门板的位移、速度、加速度及摩擦力实验结果。

(6)将步骤(4)的仿真结果与步骤(5)的实验结果进行比较，若两者的位移曲线误差小于10％，说明所建模型的准确性及仿真分析的可行性，可进行后续的步骤(7)；若两者误差大于10％，说明所建模型与真实模型存在较大的误差，则返回步骤，则返回(3)，进行参数修改，直至两者误差小于10％。

(7)进行不同运动控制模式下的门系统运动仿真，输出车辆门装置的位移、速度，也即是以车辆门受到的冲击力最小、关门功率小于1W为优化目标，进行不同控制模式的仿真，寻找最佳的门控系统模式；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，进而作为锁闭装置后续改进的理论依据。

其中，所述仿真模型包括的零件有：上导轨1，支撑块2，丝杆3，门板4，门扇胶条5，门槛6，承载轮7，锁套8，螺母座9，滚动锁销10，螺母套11，定位螺钉12，过渡套13。

所述仿真模型中零件材料属性为：上导轨1为硬铝合金，支撑块2为硬铝合金，丝杆3为钢铁，门板为硬铝合金，门槛6为硬铝合金，锁套8为工程塑料，螺母座9为硬铝合金，滚动锁销10为钢铁，螺母套11为硬铝合金，定位螺钉12为钢铁，过渡套13为黄铜。

所述仿真模型中，零件间的约束包括：上导轨1与ADAMS中ground(大地)设置固定副；支撑块2与上导轨1设置固定副，丝杆3与支撑块2设置转动副；门板4与螺母套11设置旋转副；滚动锁销10与丝杆3设置接触；滚动锁销10与螺母套11设置旋转副；丝杆3与过渡套13设置接触；丝杆3与锁套8设置接触；过渡套13与定位螺钉12设置接触；过渡套13与螺母座9设置旋转；过渡套13与螺母套11设置球铰副；螺母套11与定位螺钉12设置固定副；螺母座9与锁套8设置固定副；门板4与承载轮7设置转动副；门板4与门扇胶条5设置固定副；门板4与门槛6设置移动副，门槛6与ADAMS中ground(大地)设置固定副。

所述仿真模型中的载荷和驱动包括：门板4设置外界等效载荷，螺母套11与螺母座9设置扭簧载荷，丝杆3设置旋转动力驱动。

3.有益效果

本发明的有益效果是：

(1)本发明结合三维绘图软件SolidWorks、柔性体分析软件Ansys、控制算法建模软件Matlab、动力学仿真软件ADAMS，发挥各个软件的各自优势，实现门系统的的联合仿真。ADAMS与Matlab的交互式数据传递，在ADAMS中可视化门的运动过程，并且利用ADAMS的后处理模块，观察门系统运动过程中各项参数曲线，从而分析系统的运动学、动力学特性。根据分析结果，对所建模型及仿真模块进行评价，为门系统的优化提供重要的理论参考依据。基于多软件的联合仿真，可大大简化物理样机的检验调试过程，提高产品的开发速度、降低开发成本、降低产品开发的风险。

(2)本发明将多软件相结合，实现刚、柔耦合体、复杂控制系统的轨道车辆门系统仿真，为带有复杂结构体及控制的机械系统设计提供了新方法。该方法可以推广应用到其他类似的刚、柔耦合机械系统的仿真分析中，实现快速、高质量、低成本的设计目标，具有很高的经济效益。

附图说明

图1轨道交通车辆门系统动力学联合仿真分析方法的流程图；

图2门系统动力学仿真模型图；

图2中标号名称：上导轨1，支撑块2，丝杆3，门板4，门扇胶条5，门槛6，承载轮7，锁套8，螺母座9，滚动锁销10，螺母套11，定位螺钉12，过渡套13；

图3承载轮接触力曲线；

图4门板位移曲线；

图5门板速度曲线；

图6门板加速度曲线；

图7锁销接触力曲线；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体内容作进一步说明，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。

本发明的一种轨道交通车辆门系统动力学联合仿真分析方法，包括：SolidWorks刚性体建模、Ansys柔性体建模、Matlab控制算法编程、结合ADAMS进行轨道交通车辆门系统的联合仿真分析方法，具体步骤如下：

(1)刚性体的三维建模

在三维造型软件SolidWorks中，通过草图绘制、特征拉伸/切除等工具按照实际尺寸对门系统主要零部件进行三维建模，并利用“配合”命令完成各零件的装配；将装配好的模型保存成ADAMS可识别的中性格式.x_t文件。

(2)建立仿真模型

在ADAMS/View窗口下新建一个仿真模型，并导入门系统装配模型的.x_t格式文件，生成门系统的虚拟样机仿真模型。该仿真模型包括的零件有：上导轨1，支撑块2，丝杆3，门板4，门扇胶条5，门槛6，承载轮7，锁套8，螺母座9，滚动锁销10，螺母套11，定位螺钉12，过渡套13。

(3)柔性体模态分析

将关键的柔性体构件以相同的坐标位置及量纲导入Ansys软件中，进行模态分析，生成模态中性文件，将模态中性文件导入ADAMS软件中，把刚性体构件用相应的柔性体替换。

(4)前置处理设置

对门系统的多体仿真模型进行前置处理设置。

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，上导轨1为硬铝合金，支撑块2为硬铝合金，丝杆3为钢铁，门板为硬铝合金，门槛6为硬铝合金，锁套8为工程塑料，螺母座9为硬铝合金，滚动锁销10为钢铁，螺母套11为硬铝合金，定位螺钉12为钢铁，过渡套13为黄铜。值得说明的是，一些ADAMS中没有的零件的材料，用相近的材料来代替。

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：上导轨1与ADAMS中ground(大地)设置固定副；支撑块2与上导轨1设置固定副，丝杆3与支撑块2设置转动副；门板4与螺母套11设置旋转副；滚动锁销10与丝杆3设置接触；滚动锁销10与螺母套11设置旋转副；丝杆3与过渡套13设置接触；丝杆3与锁套8设置接触；过渡套13与定位螺钉12设置接触；过渡套13与螺母座9设置旋转；过渡套13与螺母套11设置球铰副；螺母套11与定位螺钉12设置固定副；螺母座9与锁套8设置固定副；门板4与承载轮7设置转动副；门板4与门扇胶条5设置固定副；门板4与门槛6设置移动副，门槛6与ADAMS中ground(大地)设置固定副。

最后，根据拟定的仿真方案，对门系统进行边界力的设置，点击“Forces”工具命令，对仿真模型施加外界载荷。点击“Joint motion”对丝杆3设置旋转驱动。

(5)控制算法建模

对于简单的开、关门控制，可直接在丝杆3的“Motion”上右键，选择“Modify”，在“Function(time)”栏里对丝杆的运动进行编程，进而控制丝杆的旋转运动。然而根据仿真需求，对于一些特殊情况下的复杂门控系统，需利用Matlab/Simulink对控制系统进行建模。其建模步骤如下：

首先，加载ADAMS/Control模块。单击菜单“tools”-“plugin manager”后弹出插件管理器，选ADAMS/Control后，单击O K按钮。

其次，创建输入、输出状态变量。单击菜单“Build”-“System Elements”-“State Variable”-“New”，弹出创建状态变量对话框，进行变量设置。

再次，导出控制参数。单击菜单“Controls”-“Plant Export”，弹出导出控制参数对话框，对控制参数进行导出。

最后，在MATLAB中建立控制程序，实现仿真。启动MATLAB，先将MATLAB的工作目录指向ADAMS的工作目录，方法是单击工具栏中CurrentDirection后的按钮，弹出选择路径对话框。在MATLAB命令窗口中输入命令adams_sys，该命令是ADAMS与MATLAB的接口命令。在输入adams_sys后弹出一个新窗口，该窗口式MATLAB/Simulink的选择窗口，在MATLAB/Simulink的选择窗口中，单击“File”-“New”-“Model”，弹出新的窗口，单击工具栏中的保存按钮，将adams_sub方框拖拽到新窗口中，建立门系统控制模型后，可进行联合仿真。

(6)搭建实验测试平台

以门板装置为主要对象，搭建实验测试平台，进行实验测试，测得所设置的实验条件下门板装置的位移、速度等实验结果，并记录其结果。

(7)比较结果，修正模型

将门板装置的仿真结果与实验结果进行比较，若两者误差小于10％，说明所建模型是准确的，可进行后续的仿真分析研究；若两者误差不大于10％，说明所建模型与真实模型具有较大的误差，则需要对动力学模型进行修改。

(8)仿真分析

进行不同运动控制模式下的门系统运动仿真，输出车辆门装置的位移、速度，加速度；以轨道交通车辆门系统中门板关门过程中受到的冲击力最小、关门功率小于1W为优化目标，进行不同控制模式的仿真，寻找最佳的门控系统模式；进行在不同材料刚度属性、润滑条件和工况下的轨道交通车辆门系统动力学特性仿真分析，输出门系统中关键部件，如承载轮、滚动锁销、锁套、螺母套的位移、速度、加速度及各零件之间的相互作用力，进而为门系统的后续改进提供理论依据。

下面以门系统的动力学联合仿真具体实例，来说明本发明的效果。

实施例1

本实施例用于对轨道车辆门系统的动力学联合仿真分析方法，其仿真分析方法流程图如图1所示。所涉及的轨道交通车辆门系统的部件包括如图2所示部件。

本实施例中，通过对轨道交通车辆门系统的开门过程进行仿真，输出在开门过程中，承载轮的受力情况，通过输出的承载轮在空间三维方向的受力情况，可对承载轮的疲劳寿命进行分析，进行承载轮的可靠性设计，为承载轮的优化设计提供重要的理论依据。

上述实验研究的本发明实施例使用中，基本流程如下：

第一步，打开已导入ADAMS中的轨道交通车辆门系统虚拟样机模型，进行仿真前置处理，模型中设置的承载轮与门板是转动约束，承载轮与上轨道是接触约束，并进行控制算法的编程，设置开门的具体运行模式及开门时间，准备仿真。承载轮与上轨道的接触约束参数及开门过程中控制参数如表1所示，表中关于时间的单位为秒，长度的单位为毫米。

第二步，设置仿真条件，选择仿真时间及仿真步长，即可进行仿真。

第三步3，仿真结束后，输出仿真结果，开门过程中，分布在门板两端的承载轮的受力图如图3所示，并能对仿真过程进行回放分析。

表1承载轮的接触参数及开门控制参数

参数名称	设置值
		刚度	3.8e6(N/m)
力的非线性指数	2
		最大粘滞阻尼系数	1.5e3(N-sec/m)
最大变形深度	1e-4(m)
		静态阻力系数	0.13
静态阻力滑移速度	1e-4(m/sec)
		动态阻力系数	9e-2
动态阻力转移速度	1e-2(m/sec)
		开门时间	3(sec)
丝杆转速	1237(Deg/sec)

实施例2

本实施例用于对轨道交通车辆门系统的动力学联合仿真分析方法，其仿真分析方法流程图如图1所示。所涉及的轨道交通车辆门系统的部件包括如图2所示部件。

本实施例中，通过对轨道车辆门系统的开门过程进行仿真，输出在开门过程中，门板的位移、速度、加速度曲线，用于评价轨道交通车辆门系统运行的平稳性。输出轨道交通车辆门系统的关键部件中滚动锁销的受力情况，用于轨道交通车辆门系统运行安全性评价，为轨道交通车辆门系统中关键部件的优化设计提供重要的理论依据。

上述实验研究的本发明实施例使用中，基本流程如下：

第一步，首先打开联合仿真平台，对车辆门系统样机模型进行参数设置，对开门控制系统进行算法编程设置，准备仿真。滚动锁销与丝杆的接触参数及开门控制参数如表2所示。

表2锁销与丝杆的接触参数及开门控制参数

参数名称	设置值
		刚度	1e8(N/m)
力的非线性指数	1.5
		最大粘滞阻尼系数	5e4(N-sec/m)
最大变形深度	1e-4(m)
		静态阻力系数	0.3
静态阻力滑移速度	1e-4(m/sec)
		动态阻力系数	0.25
动态阻力转移速度	1e-2(m/sec)
		开门时间	3(sec)
丝杆的转速	1237(Deg/sec)

第二步，设置仿真条件，选择仿真时间及仿真步长，即可进行仿真。

第三步3，仿真结束后，输出仿真结果，关门过程中，门板的位移、速度、加速度分别如图4、图5、图6所示，滚动锁销的受力情况如图7所示。

Claims (9)

1.一种轨道交通车辆门系统动力学联合仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在SolidWorks软件环境下，对轨道交通车辆门系统中零部件进行三维建模，并将门系统的三维装配体模型转换为ADAMS可导入的中性格式文件。

(2)在Ansys中进行轨道交通车辆门系统中柔性体部件的模态分析，并转换为ADAMS可导入的中性格式文件替换三维装配体中的与其对应的刚体模型。

(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、驱动。

(4)在Matlab中建立轨道交通车辆门系统的控制算法，例如：正常开、关门的控制算法；模拟开、关门过程中施加外载荷的控制算法。并通过ADAMS/Control模块对门系统进行仿真控制，完成整个轨道交通车辆门系统的运动学及动力学仿真，并调用ADAMS/Solver进行仿真计算，输出轨道交通车辆门系统零部件的位移、速度、加速度及各零件之间的相互作用力的仿真结果。

(5)搭建实验测试平台，并进行门系统运动实验测试，检测门板的位移、速度、加速度及摩擦力实验结果。

(6)将步骤(4)的仿真结果与步骤(5)的实验结果进行比较，若两者的位移曲线误差小于10％，说明所建模型的准确性及仿真分析的可行性，可进行后续的步骤(7)；若两者误差大于10％，说明所建模型与真实模型存在较大的误差，则返回步骤(3)，进行参数修改，调整各约束副的接触参数，包括：刚度、力的非线性指数、最大粘滞阻尼系数、最大阻力时构件的变形深度、静态阻力系数，并重新进行仿真，输出仿真结果，直至两者误差小于10％。

(7)进行正常开、关门的运动仿真及模拟实际运行中出现的工况运动仿真，输出轨道车辆门系统中门板的位移、速度、加速度，输出轨道车辆门系统中关键部件承载轮、滚动锁销、锁套、螺母套的位移、速度、加速度及各零件之间的相互作用力；以轨道交通车辆门系统中门板在关门过程中受到的冲击力最小、关门功率小于1W为优化目标，调整驱动参数分别进行仿真，寻找最佳的门控系统模式；并调整轨道交通车辆门系统中零部件的材料属性、接触参数条件，分别进行仿真，比较相应的输出结果，进而为轨道交通车辆门系统装置后续改进提供理论依据。

2.根据权利要求1所述的轨道交通车辆门系统动力学联合仿真分析方法，其特征在于：所述步骤(1)中的轨道交通车辆门系统主要部件包括：上导轨1，支撑块2，丝杆3，门板4，门扇胶条5，门槛6，承载轮7，锁套8，螺母座9，滚动锁销10，螺母套11，定位螺钉12，过渡套13。

3.根据权利要求1所述的轨道交通车辆门系统动力学联合仿真分析方法，其特征在于：所述步骤(2)中的采用Ansys进行轨道交通车辆门系统的柔性体部件的建模是指对轨道交通车辆门系统中的柔性部件包括：承载轮7及门扇胶条5进行建模。

4.根据权利要求1所述的轨道交通车辆门系统动力学联合仿真分析方法，其特征在于：所述步骤(3)中仿真模型的零件材料属性为：上导轨1为硬铝合金，支撑块2为硬铝合金，丝杆3为钢铁，门板为硬铝合金，门槛6为硬铝合金，锁套8为工程塑料，螺母座9为硬铝合金，滚动锁销10为钢铁，螺母套11为硬铝合金，定位螺钉12为钢铁，过渡套13为黄铜。

5.根据权利要求1所述的轨道交通车辆门系统动力学联合仿真分析方法，其特征在于：所述步骤(3)中的仿真模型中约束关系包括：所述约束包括：上导轨1与ADAMS中ground(大地)设置固定副；支撑块2与上导轨1设置固定副，丝杆3与支撑块2设置转动副；门板4与螺母套11设置旋转副；滚动锁销10与丝杆3设置接触；滚动锁销10与螺母套11设置旋转副；丝杆3与过渡套13设置接触；丝杆3与锁套8设置接触；过渡套13与定位螺钉12设置接触；过渡套13与螺母座9设置旋转；过渡套13与螺母套11设置球铰副；螺母套11与定位螺钉12设置固定副；螺母座9与锁套8设置固定副；门板4与承载轮7设置转动副；门板4与门扇胶条5设置固定副；门板4与门槛6设置移动副，门槛6与ADAMS中ground(大地)设置固定副。

6.根据权利要求1所述的轨道交通车辆门系统动力学联合仿真分析方法，其特征在于，所述步骤(3)中的载荷和驱动包括：门板4设置外界等效载荷，螺母套11与螺母座9设置扭簧载荷，丝杆3设置旋转动力驱动。

7.根据权利要求1所述的轨道交通车辆门系统动力学联合仿真分析方法，其特征在于，所述步骤(4)中Matlab建立轨道交通车辆门的不同控制算法是采用Matlab/Simulink模块对轨道交通车辆门的运动控制算法进行建模，然后通过ADAMS/Control模块调用Matlab/Simulink所设置的控制算法，最终实现对轨道交通车辆门不同运动模式下的联合仿真。

8.根据权利要求1所述的轨道交通车辆门系统动力学联合仿真分析方法，其特征在于，所述步骤(5)中搭建的实验平台用于实验测试，旨在验证所建立的联合仿真模型的正确性，通过设置仿真模型中参数和实验平台相同的运动输入参数，检查其输出结果是否一致。

9.根据权利要求1所述的轨道交通车辆门系统动力学联合仿真方法，其特征在于，所述步骤(7)中进行不同工况条件下的模拟仿真及优化仿真研究，其具体为：针对轨道车辆门系统运行中，可能出现的各种运动情况，进行门面板上不同加载力情况下的仿真、不同开关门驱动控制条件下的仿真。

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