CN110245424A - 一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，涉及气动与多体动力学交叉技术领域，包括：建立列车的多体动力学模型；建立列车流场的气动计算模型；利用双时间步时间推进方法，将两个模型的计算结果在一个物理时间步内进行多次交换，直至达到预定精度或预定次数。对列车流场的不同区域采用不同的网格运动方法，确保各个区域网格运动时的网格质量较好，保证较高的计算效率和计算精度，较好地完成由于列车运动姿态改变和列车前进引起的气动网格运动。本申请提供的紧耦合方法，与直接耦合方法相比，易收敛且满足气动与结构动力学相互作用剧烈时的工程需求，与单向耦合和松耦合方法相比，能提高计算时间精度和整个系统计算稳定性。

Description

一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法

技术领域

本发明涉及气动与多体动力学交叉技术领域，更具体地，涉及一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法。

背景技术

我国地貌广阔，风力资源十分丰富，同时，也是一个多山的国家，铁路隧线比相对较大，势必面临明线大横风、明线交会、隧道单车通过、隧道交会等工况。而且，随着列车运行速度的提高，列车与其周围空气的相互作用越发显著。

目前，气动与多体动力学之间常用的耦合方法主要有单向耦合方法和松耦合方法。强环境风严重威胁到列车的安全运行，由于强环境风而导致列车脱轨及倾覆事故屡见不鲜。单向耦合常将环境风和强气流作为随时间变化的外载荷施加，忽略了列车在流场作用下运动姿态的改变对流场的影响，不能反映空气动力学与车辆动力学的耦合关系，难以揭示相互作用的规律，反映其本质。研究高速列车空气动力学与车辆-轨道耦合动力学之间的耦合效应，大部分采用松耦合仿真方法，即在一个物理时间步内交换一次或两次数据，致使两个学科的计算不同步，以及滑移网格和动态网格结合的网格运动方法，存在网格重构问题，有时会造成网格质量降低，且部分研究为明线横风工况，列车都是静止的，不适用于含有运动边界或双车交会的非定常流动工况。用实验手段模拟耦合效应还存在一些困难。一般风洞实验费用昂贵，通常也只能做到准定常测量，不能计及耦合效应，并且也无法模拟高雷诺数流动。此时，数值模拟有着不可替代的优势。因此，当列车高速运行时，在明线交会、隧道单车通过、隧道交会等工况下，为考虑列车与空气动力的相互作用、提高计算时间精度和整个系统计算的稳定性，研究高效的气动与多体动力学紧耦合方法是很有必要的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，针对列车流场的不同区域，采用不同的网格划分和网格运动方法，充分考虑表面粘性力，降低网格划分的复杂度，获得较高的网格划分质量，同时，能够确保各个区域网格运动时的网格质量较好，保证较高的计算效率和计算精度，较好地完成由于列车运动姿态改变和列车前进引起的气动网格运动。本申请提供的紧耦合方法，与同时联立求解两个学科大型方程组的直接耦合方法相比，易收敛，且满足气动与结构动力学相互作用剧烈时的工程需求，与单向耦合和松耦合方法相比，能够提高计算时间精度和整个系统计算稳定性。

为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案：

本申请提供一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，其特征在于，包括：

建立列车的多体动力学模型；

建立列车流场的气动计算模型，所述列车流场包括内部流场和包围所述内部流场的外部流场，所述内部流场包括列车周围流场和前后端流场；

采用贪婪算法在流场物面上选取控制点；

利用双时间步时间推进方法，将所述气动计算模型和所述多体动力学模型之间的数据进行交换，具体为：

将一个物理时间步分为预定精度或预定次数的子迭代；

在每次子迭代中计算所述气动计算模型的气动载荷，并将所述气动载荷保存至数据文件，所述多体动力学模型读取所述数据文件；

计算所述多体动力学模型，得到所述气动载荷作用下所述多体动力学模型的三个平动和三个转动自由度，将所述平动和转动自由度保存至所述数据文件中；

所述气动计算模型读取所述数据文件，获得所述多体动力学模型的平动和转动自由度，并将所述平动和转动自由度变换为流场物面的三个位移，采用铺层动网格方法和粘性网格变形方法结合的方法更新网格位置，具体为：列车周围流场采用粘性网格变形方法，以所述流场物面的三个位移作为所述控制点的位移，将所述控制点的位移分解为列车前进位移和列车运动姿态改变引起的位移，根据列车运动姿态改变引起的位移，利用LU分解求解插值系数，构造径向基插值函数，求取所述列车周围流场内的网格由列车运动姿态改变引起的位移，加上列车前进位移，更新所述列车周围流场内的网格位置；前后端流场采用铺层动网格方法，列车周围流场与前后端流场的共用界面以列车运行速度运动，拉伸后端流场，压缩前端流场，更新所述前后端流场内的网格位置；

当计算精度达到所述预定精度，或迭代次数达到所述预定次数时，进入下一物理时间步。

可选地，其中：

所述建立列车流场的气动计算模型，具体为：

所述列车周围流场包括边界层流场和边界层外侧流场，采用棱柱网格对所述边界层流场划分网格，采用四面体网格对所述边界层外侧流场划分网格；对前后端流场采用六面体网格划分；对外部流场采用六面体网格划分，通过所述内部流场与外部流场的界面数据插值进行所述内部流场和外部流场之间的数据交换；采用铺层动网格方法与粘性网格变形方法结合的方法进行网格运动，得到所述气动计算模型。

可选地，其中：

所述边界层流场包括靠近所述流场物面的至少6层网格；所述边界层外侧流场位于所述边界层流场和所述外部流场之间。

可选地，其中：

所述前后端流场位于所述外部流场和所述边界层外侧流场之间，包括前端流场和后端流场。

可选地，其中：

所述在每次子迭代中计算所述气动计算模型的气动载荷，具体为：

提取流场物面上单元压力和壁面剪切力，通过公式计算流场物面上沿坐标轴方向的气动力和相对于列车质心的力矩，所述公式为：

其中，F_x、F_y和F_z分别为流场物面上气动力在x、y和z轴方向上力的分量；M_x、M_y和M_z分别为流场物面上气动力相对于列车质心绕x、y和z轴的力矩；n为流场物面上总单元数量；P_e为流场物面上单元压力；S_xe、S_ye和S_ze分别为流场物面上单元在yoz、xoz和xoy平面上的投影面积；F_τxe、F_τye和F_τze分别为流场物面上单元在x、y和z轴方向上的壁面剪切力；l_x、l_y和l_z分别为流场物面上单元中心相对于列车质心沿x、y和z轴方向的距离。

可选地，其中：

所述多体动力学模型读取所述数据文件，具体为：所述多体动力学模型通过覆盖置换变量的方式读取所述数据文件。

可选地，其中：

所述计算所述多体动力学模型，得到所述气动载荷作用下所述多体动力学模型的三个平动和三个转动自由度，并将所述平动和转动自由度变换为流场物面的三个位移，具体为：在空间坐标系中，将所述多体动力学模型同时绕三个坐标轴旋转，可得：

x'＝x(cosβcosγ-sinαsinβsinγ)-ycosαsinγ+z(sinβcosγ+sinαcosβsinγ)

y'＝x(cosβsinγ+sinαsinβcosγ)+ycosαcosγ+z(sinβsinγ-sinαcosβcosγ)

z'＝x(-cosαsinβ)+ysinα+zcosαcosβ

其中，x、y、z为所述多体动力学模型的三个平动自由度，α、β和γ为所述多体动力学模型的三个转动自由度，x'、y'和z'为流场物面上沿三个坐标轴方向的位移。

可选地，其中：

所述将所述多体动力学模型同时绕三个坐标轴旋转，具体为：将所述多体动力学模型绕z轴旋转，得到变换矩阵A，将所述多体动力学模型绕x轴旋转，得到变换矩阵B，将所述多体动力学模型绕y轴旋转，得到变换矩阵C，其中：

组合变换矩阵A、B和C，得到所述同时绕三个坐标轴旋转的变换矩阵T，根据变换矩阵T与由所述多体动力学模型的三个平动自由度组成的列矩阵的乘积，得到流场物面上沿三个坐标轴方向的位移x'、y'和z'。

可选地，其中：

所述建立列车的多体动力学模型，具体为：采用多层次子结构方法建立列车的多体动力学模型。

与现有技术相比，本发明提供的适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，至少实现了如下的有益效果：

(1)本申请实施例所提供的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，对于列车周围流场，仅根据流场物面控制点的列车姿态改变引起的位移，求取列车周围流场内的网格的位移，再加上列车前进位移，更新列车周围流场内的网格位置，避免随着列车运行，列车前进位移和列车运动姿态改变引起的位移之间相差甚远，以两者为元素构成的矩阵在求解过程中出现奇异的问题，从而能够实现列车运动姿态改变和列车前进运动的结合。

(2)本申请实施例所提供的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，结合不同网格运动方法的优点，不同区域采用不同的网格运动方法，能够确保各个区域的网格运动时的网格质量较好，同时还能保证较高的计算效率和计算精度，从而能够较好地完成由于列车运动姿态改变和列车前进引起的气动网格运动。

(3)本申请实施例所提供的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，实现气动和多体动力学之间的相互作用，与同时联立求解两个学科大型方程组的直接耦合方法相比，易收敛，且满足气动与结构动力学相互作用强烈时的工程需求，与单向耦合和松耦合方法相比，能够提高计算时间精度和整个系统计算的稳定性。

(4)本申请实施例所提供的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，将计算气动计算模型得到的气动载荷保存至数据文件中，多体动力学模型读取该数据文件，将计算多体动力学模型得到的位移也保存至数据文件中，气动计算模型读取该数据文件，如此，通过数据文件实现两个学科之间的数据传递，简单快捷，易于实现，且能够确保数据可靠性。

(5)本申请实施例所提供的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，除了适用于高速列车弓网系统、车体、风挡等，还适用于其他领域中气动与多体动力学的紧耦合分析、气动与结构有限元的紧耦合分析，适用性强。

当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1所示为本申请实施例所提供的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法的一种流程图；

图2所示为本申请实施例所提供的气动计算模型和多体动力学模型之间的数据交换的一种流程图；

图3所示为本申请实施例所提供的列车的多体动力学模型的一种结构示意图；

图4所示为本申请实施例所提供的气动计算模型的一种结构示意图；

图5所示为空间坐标系的一种结构示意图；

图6所示为计算气动计算模型的流场物面位移的一种流程图；

图7所示为本申请实施例中仿真和试验时车体的垂向加速度功率谱密度曲线；

图8所示为本申请实施例中仿真和试验时构架的垂向加速度功率谱密度曲线。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

目前，气动与多体动力学之间常用的耦合方法主要有单向耦合方法和松耦合方法。强环境风严重威胁到列车的安全运行，由于强环境风而导致列车脱轨及倾覆事故屡见不鲜。单向耦合常将环境风和强气流作为随时间变化的外载荷施加，忽略了列车在流场作用下运动姿态的改变对气动的影响，不能反映空气动力学与车辆动力学的耦合关系，难以揭示相互作用的规律，反映其本质。研究高速列车空气动力学与车辆-轨道耦合动力学之间的耦合效应，大部分采用松耦合仿真方法，即在一个物理时间步内交换一次或两次数据，致使两个学科的计算不同步，以及滑移网格和动态网格结合的网格运动方法，存在网格重构问题，有时会造成网格质量降低，且部分研究为明线横风工况，列车是静止的，不适用于含有运动边界或双车交会的非定常流动工况。用实验手段模拟耦合效应还存在一些困难。一般风洞实验费用昂贵，通常也只能做到准定常测量，不能计及耦合效应，并且也无法模拟高雷诺数流动。此时，数值模拟有着不可替代的优势。因此，当列车高速运行时，在明线交会、隧道单车通过、隧道交会等工况下，为考虑列车与空气的相互作用、提高计算时间精度和整个系统计算的稳定性，研究高效的气动与多体动力学紧耦合方法是很有必要的。

有鉴于此，本发明提供了一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，针对列车流场的不同区域，采用不同的网格划分和网格运动方法，充分考虑表面粘性力，降低网格划分的复杂度，获得较高的网格划分质量，同时，能够确保各个区域网格运动时的网格质量较好，保证较高的计算效率和计算精度，较好地完成由于列车运动姿态改变和列车前进引起的气动网格运动。本申请提供的紧耦合方法，与同时联立求解两个学科大型方程组的直接耦合方法相比，易收敛，且满足气动与结构动力学相互作用剧烈时的工程需求，与单向耦合和松耦合方法相比，能够提高计算时间精度和整个系统计算稳定性。

以下结合附图和具体实施例进行详细说明。

图1所示为本申请实施例所提供的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法的一种流程图，图2所示为本申请实施例所提供的气动计算模型和多体动力学模型之间的数据交换的一种流程图，图3所示为本申请实施例所提供的列车的多体动力学模型的一种结构示意图，图4所示为本申请实施例所提供的气动计算模型的一种结构示意图，请参见图1-图4，本申请实施例所提供的适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，包括：

步骤10：建立列车的多体动力学模型100；

步骤20：建立列车流场的气动计算模型200，请参见图4，列车流场包括内部流场210和包围内部流场的外部流场220，内部流场210包括列车周围流场211和前后端流场212；

步骤30：采用贪婪算法在流场物面上选取控制点；

步骤40：利用双时间步时间推进方法，请参见图2，将气动计算模型200和多体动力学模型100之间的数据进行交换，具体为：

步骤401：将每一个物理时间步分为预定精度或预定次数的子迭代；

步骤402：在每次子迭代中计算气动计算模型200的气动载荷，并将气动载荷保存至数据文件，多体动力学模型100读取数据文件；

步骤403：计算所述多体动力学模型，得到气动载荷作用下多体动力学模型100的三个平动和三个转动自由度，并将平动和转动自由度保存至数据文件中；

步骤404：气动计算模型200读取数据文件获得多体动力学模型100的平动和转动自由度，并将平动和转动自由度变换为流场物面的三个位移，采用铺层动网格方法和粘性网格变形方法结合的方法更新网格位置，具体为：列车周围流场采用粘性网格变形方法，以流场物面的三个位移作为控制点的位移，将控制点的位移分解为列车前进位移和列车运动姿态改变引起的位移，根据列车运动姿态改变引起的位移，利用LU分解求解插值系数，构造径向基插值函数，求取列车周围流场内的网格由列车姿态改变引起的位移，加上列车前进位移，更新列车周围流场内的网格位置；前后端流场采用铺层动网格方法，列车周围流场与前后端流场的共用界面以列车运行速度运动，拉伸后端流场，压缩前端流场，更新前后端流场内的网格位置；

步骤405：当计算精度达到预定精度，或迭代次数达到预定次数时，进入下一物理时间步。

具体地，请参见图1-图4，本申请实施例所提供的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，通过步骤10建立列车的多体动力学模型100；通过步骤20，建立列车流场的气动计算模型200，请参见图4，列车流场包括内部流场210和外部流场220，外部流场220包围内部流场210，内部流场210包括列车周围流场211和前后端流场212；

请参见图2，通过步骤30，采用贪婪算法在流场物面上选取控制点，本实施例中选择单位函数作为目标函数，此时控制点的选择与流场物面的实际位移无关，在开始计算之前选取控制点，可以避免在计算过程中更新控制点，能够大幅提升计算效率；通过步骤40，利用双时间步时间推进方法，将气动计算模型200和多体动力学模型100之间的数据进行交换，包括：通过步骤401将每一个物理时间步分为预定精度或预定次数的子迭代，此处的预定精度或预定次数指的是定义的气动计算模型200和多体动力学模型100的收敛精度或者最大迭代次数，可根据实际应用具体设定，本申请对此不进行具体限定；然后通过步骤402计算气动计算模型200的气动载荷，并保存至数据文件，多体动力学模型100读取数据文件，此处，在每一次子迭代中都进行一次气动载荷计算，并保存至数据文件中；通过步骤403计算多体动力学模型100，得到多体动力学模型100的三个平动和三个转动自由度，并将平动和转动自由度保存至数据文件中；

请参见图2，在步骤404中，气动计算模型200读取数据文件获得多体动力学模型100的平动和转动自由度，并将平动和转动自由度转换为流场物面的三个位移，如此，通过数据文件实现两个学科之间的数据传递，简单快捷且可靠；由于列车姿态改变引起的流场运动复杂，故在列车周围流场211内采用粘性网格变形方法，将流场物面位移分解为列车前进位移和列车运动姿态改变引起的位移，为避免求解过程中奇异矩阵的出现，仅根据列车运动姿态改变引起的位移，采用LU分解求解插值系数，构造能够反映控制点对不同位置影响强弱程度的径向基函数，求取由于列车运动姿态改变引起的列车周围流场211内的网格的运动位移，加上列车前进位移，更新列车周围流场211内的网格位置；前后端流场212形状规则，远离运行列车，流场运动基本不受列车姿态改变的影响，故采用铺层动网格方法，使列车周围流场211与前后端流场212的共用界面以列车运行速度运动，拉伸后端流场，压缩前端流场，完成前后端流场212内的网格运动；需要说明的是，由于列车周围流场211的四个外侧面需要与外部流场220内侧面进行界面插值，而两个端面与前后端流场212靠近列车的端面是同一个面，因此，需要确保列车周围流场211的六个外表面由于列车运动姿态改变引起的位移为0。前后端流场212与列车周围流场211的界面设置为内部，确保不同区域的流体流通。前后端流场212远离列车的端面设置为静止，便于采用铺层动网格方法实现网格运动。通过列车周围流场与前后端流场共用界面的一致运动，实现铺层动网格方法和粘性网格变形方法的结合。铺层动网格方法适用于远离列车的六面体网格运动，粘性网格变形方法适用于列车附近的棱柱网格及四面体网格运动，将二者结合，能够较好地完成由于列车运动姿态改变和列车前进引起的气动网格运动；

请参见图2，通过步骤405判断计算精度或迭代次数是否达到了预定精度或预定次数，也就是判断气动计算模型200和多体动力学模型100是否都收敛，或者判断迭代次数是否达到了最大迭代次数。通过本申请提供的紧耦合方法实现两个学科之间的相互作用，与同时联立求解两个学科大型方程组的直接耦合方法相比，易收敛，且满足气动与结构动力学相互作用剧烈时的工程需求，与单向耦合和松耦合方法相比，能够提高计算时间精度和整个系统计算的稳定性。

需要说明的是，在循环计算的第一个物理时间步内，本申请对步骤402和步骤403的执行顺序不进行限定，也就是说，可以先计算气动计算模型200的气动载荷，再计算多体动力学模型100的移动自由度；也可以先计算多体动力学模型100的移动自由度，再计算气动计算模型200的气动载荷，但在后面的物理时间步内，二者需要交替进行计算。需要强调的是，在每个物理时间步内列车前进的距离不能大于内外部流场交界面上单元格的长度。

可选地，请参见图4，建立列车流场的气动计算模型，具体为：列车周围流场包括边界层流场和边界层外侧流场，采用棱柱网格对边界层流场划分网格，采用四面体网格对边界层外侧流场划分网格；对前后端流场采用六面体网格划分；对外部流场采用六面体网格划分，通过内部流场与外部流场的界面数据插值进行内部流场和外部流场之间的数据交换；采用铺层动网格方法与粘性网格变形方法结合的方法进行网格运动，得到气动计算模型。

具体地，请参见图4，建立列车流场的气动计算模型200时，对内部流场210和外部流场220采用不同的网格划分方法，对内部流场210采用混合网格划分，列车周围流场211包括边界层流场213和边界层外侧流场214，由于边界处的物理量变化往往较为剧烈，所以本申请中边界层流场213采用相对细密的棱柱层网格，边界层外侧流场214采用划分网格方便快捷的四面体网格，而前后端流场212采用规则的六面体网格，从而能够在充分考虑表面粘性力的同时尽量降低网格划分的复杂程度；而外部流场220距离列车模型的表面相对较远，流场较稳定且形状规则，因此可采用较稀疏的六面体网格。通过界面数据插值的方法进行内部流场210和外部流场220之间的数据交换，采用铺层动网格方法与粘性网格变形方法结合的方法进行网格运动，得到气动计算模型200，铺层动网格方法适用于距离流场物面较远的六面体网格的运动，能够保证网格运动时的网格质量，粘性网格变形方法在开始计算前，通过随机和根据第一步的误差分布两次选取物面上的控制点，确保以后计算中得到较准确的变形网格，且在后续计算过程中，不再更新控制点，也避免遍历所有流场物面点，大大提高计算效率，适用于流场物面周围网格的运动，因此，结合铺层动网格与粘性网格变形方法，能够较好地完成由于列车运动姿态改变和列车前进引起的气动网格运动。

可选地，请参见图4，边界层流场213包括靠近流场物面的至少6层网格；边界层外侧流场214位于边界层流场213和外部流场220之间。具体地，边界层流场213为靠近流场物面的多层网格，一般包括6-10层网格；边界层外侧流场214位于边界层流场213和外部流场220之间，一般距离流场物面650mm-850mm，需要说明的是，边界层流场213和边界层外侧流场214的取值范围仅为示例性说明，在其他实施例中，可以根据具体需要进行取值，本申请对此不进行具体限定。

可选地，请参见图4，前后端流场212位于外部流场220和边界层外侧流场214之间，包括前端流场215和后端流场216。具体地，前后端流场212位于外部流场220和边界层外侧流场214之间，包括前端流场215和后端流场216，在图4所示视角下，前端流场215位于边界层外侧流场214的前端，后端流场216位于边界层外侧流场214的后端，前后端流场212是距离列车较远的两端的流场。

可选地，请参见图5，图5所示为空间坐标系的一种结构示意图，在每次子迭代中计算气动计算模型200的气动载荷，具体为：提取流场物面上单元压力和壁面剪切力，通过公式计算流场物面上沿坐标轴方向的气动

其中，F_x、F_y和F_z分别为流场物面上气动力在x、y和z轴方向上力的分量；M_x、M_y和M_z分别为流场物面上气动力相对于列车质心绕x、y和z轴的力矩；n为流场物面上总单元数量；P_e为流场物面上单元压力；S_xe、S_ye和S_ze分别为流场物面上单元在yoz、xoz和xoy平面上的投影面积；F_τxe、F_τye和F_τze分别为流场物面上单元在x、y和z轴方向上的壁面剪切力；l_x、l_y和l_z分别为流场物面上单元中心O相对于列车质心280沿x、y和z轴方向的距离。

具体地，请参见图5，本实施例中计算气动计算模型200的气动载荷时，首先提取流场物面上单元压力和壁面剪切力，然后通过公式计算流场物面上沿坐标轴方向的气动力和相对于列车质心的力矩，计算公式为：

动力在x、y和z轴方向上力的分量；M_x、M_y和M_z分别为流场物面上气动力相对于列车质心绕x、y和z轴的力矩；n为流场物面上总单元数量；P_e为流场物面上单元压力；S_xe、S_ye和S_ze分别为流场物面上单元在yoz、xoz和xoy平面上的投影面积；F_τxe、F_τye和F_τze分别为流场物面上单元在x、y和z轴方向上的壁面剪切力；l_x、l_y和l_z分别为流场物面上单元中心O相对于列车质心280沿x、y和z轴方向的距离。

需要说明的是，上述计算气动计算模型200的气动载荷的方法仅为本申请的一种计算方法，还可以通过其他方法得到气动计算模型200的气动载荷，例如：在每一个物理时间步计算结束后，通过软件内部函数将结果输出到数据文件，但是该方法对于紧耦合在一个物理时间步内多次数据交换的情况不适用。

可选地，多体动力学模型100读取数据文件，具体为：多体动力学模型100通过覆盖置换变量的方式读取数据文件。具体地，计算得到气动计算模型200的气动载荷之后，保存到数据文件中，多体动力学模型100通过读取数据文件，即可得到作用力和力矩，读取数据文件时，采用覆盖置换变量的方式，即置换变量将输入的不断变化的力和力矩参数化，而覆盖方式将上一步施加的力和力矩替换为当前步的力和力矩。

可选地，请参见图6，图6所示为计算气动计算模型200的流场物面位移的一种流程图，计算所述多体动力学模型，得到气动载荷作用下多体动力学模型100的三个平动和三个转动自由度，并将平动和转动自由度变换为流场物面的三个位移，具体为：在空间坐标系中，将多体动力学模型100同时绕三个坐标轴旋转，可得：

x'＝x(cosβcosγ-sinαsinβsinγ)-ycosαsinγ+z(sinβcosγ+sinαcosβsinγ)

y'＝x(cosβsinγ+sinαsinβcosγ)+ycosαcosγ+z(sinβsinγ-sinαcosβcosγ)

z'＝x(-cosαsinβ)+ysinα+zcosαcosβ

其中，x、y、z为多体动力学模型100的三个平动自由度，α、β和γ为多体动力学模型100的三个转动自由度，x'、y'和z'为流场物面上沿三个坐标轴方向的位移。

具体地，多体动力学模型100具有三个平动和三个转动总共6个自由度，但是气动计算模型200运动时需要三个坐标轴方向上的位移，因此需要将多体动力学模型100的6个自由度转换为流场物面在三个坐标轴方向上的位移，在空间坐标系中，通过将多体动力学模型100绕x轴、y轴和z轴旋转，得到多体动力学模型100沿x、y和z轴的位移，即气动计算模型200在三个坐标轴方向上的位移分别为

x'＝x(cosβcosγ-sinαsinβsinγ)-ycosαsinγ+z(sinβcosγ+sinαcosβsinγ)

y'＝x(cosβsinγ+sinαsinβcosγ)+ycosαcosγ+z(sinβsinγ-sinαcosβcosγ)

z'＝x(-cosαsinβ)+ysinα+zcosαcosβ，其中，x、y、z、α、β和γ为多体动力学模型100的6个自由度，x'、y'和z'分别为流场物面上沿三个坐标轴x、y和z方向的位移。

可选地，请参见图6，将多体动力学模型100同时绕三个坐标轴旋转，具体为：将多体动力学模型100绕z轴旋转，得到变换矩阵A，将多体动力学模型100绕x轴旋转，得到变换矩阵B，将多体动力学模型100绕y轴旋转，得到变换矩阵C，其中：

组合变换矩阵A、B和C，得到同时绕三个坐标轴旋转的变换矩阵T＝ABC，根据变换矩阵T与由所述多体动力学模型的三个平动自由度组成的列矩阵的乘积，得到流场物面上沿三个坐标轴方向的位移x'、y'和z'。

具体地，计算多体动力学模型100沿x、y和z轴的位移时，需要将多体动力学模型100分别绕x轴、y轴和z轴旋转，得到变换矩阵A、B和C，其中：

然后将得到的变换矩阵A、B和C组合，即可得到同时绕三个坐标轴旋转的变换矩阵T，根据变换矩阵T与由所述多体动力学模型的三个平动自由度组成的列矩阵的乘积，即可计算得到流场物面上沿三个坐标轴方向的位移x'、y'和z'。

可选地，建立列车的多体动力学模型100，具体为：采用多层次子结构方法建立列车的多体动力学模型100。具体地，高速列车车辆包含多节列车，每一节列车主要由车体和前后转向架等组成，而转向架主要包括枕梁、构架、轴箱和前后轮对等，为方便快捷地建立高速列车车辆多体动力学模型100，请参见图3，本申请中采用3编组(头车+中间车+尾车)列车，全部为刚体，考虑轨道不平顺以及气动力的影响，应用已有的车辆和轨道动力学参数，采用多层次子结构建模方法，建立多体动力学模型。多层次子结构建模方法，可以使得相邻的两节列车之间或者一节列车内的前后转向架之间共同的部分不需要重复建模，当需要修改子结构模型时，只需要修改已经单独建立的子模型即可。此外，当多体动力学模型100出现故障时，能够通过各个子模型迅速锁定问题所在位置，还可以通过确保各个子模型的正确性从而减小主模型出现问题的概率，有利于提高建模的准确性和建模效率。

以下将结合具体案例对本申请一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法进行说明。

图7所示为本申请实施例中仿真和试验时车体的垂向加速度功率谱密度曲线，图8所示为本申请实施例中仿真和试验时构架的垂向加速度功率谱密度曲线，请参见图7和图8，在进行动力学仿真时，研究对象为3节列车，施加了轨道不平顺功率谱密度，运行工况为明线。当进行试验时，列车处于稳定运行状态，且轨道足够长。从图7中可以看出，车体的垂向加速度功率谱密度曲线中试验结果240和仿真结果230在低频时存在差异，从图8中可以看出，构架的垂向加速度功率谱密度曲线中试验结果260和仿真结果250在几个振动峰值点对应的频率和振幅有差异，造成上述差异主要是因为仿真条件与试验条件不完全相同，比如自然环境风、列车节数、轨道弹性变形，以及其他干扰，但总体来讲，仿真结果与试验结果基本一致。

通过上述实施例可知，本发明提供的适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，至少实现了如下的有益效果：

(1)本申请实施例所提供的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，对于列车周围流场，仅根据流场物面控制点的列车运动姿态改变引起的位移，求取列车周围流场内网格的位移，再加上列车前进位移，更新列车周围流场内的网格位置，避免随着列车运行，列车前进位移和列车运动姿态改变引起的位移之间相差甚远，以两者为元素构成的矩阵在求解过程中出现奇异的问题，从而能够实现列车运动姿态改变和列车前进运动的结合。

(2)本申请实施例所提供的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，结合不同网格运动方法的优点，不同区域采用不同的网格运动方法，能够确保各个区域的网格运动时的网格质量较好，同时还能保证较高的计算效率和计算精度，从而能够较好地完成由于列车运动姿态改变和列车前进引起的气动网格运动。

(3)本申请实施例所提供的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，实现两个学科之间的相互作用，与同时联立求解两个学科大型方程组的直接耦合方法对比，易收敛，且满足气动与结构动力学相互作用剧烈时的工程需求，与单向耦合和松耦合方法相比，能够提高计算时间精度和整个系统计算的稳定性。

(4)本申请实施例所提供的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，将计算气动计算模型得到的气动载荷保存至数据文件中，多体动力学模型读取该数据文件，将计算多体动力学模型得到的位移也保存至数据文件中，气动计算模型读取该数据文件，如此，通过数据文件实现两个学科之间的数据传递，简单快捷，易于实现，且能够确保数据可靠性。

(5)本申请实施例所提供的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，除了适用于高速列车弓网系统、车体、风挡等，还适用于其他领域中气动与多体动力学的紧耦合、气动与结构有限元的紧耦合分析，适用性强。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，其特征在于，包括：

建立列车的多体动力学模型；

建立列车流场的气动计算模型，所述列车流场包括内部流场和包围所述内部流场的外部流场，所述内部流场包括列车周围流场和前后端流场；

采用贪婪算法在流场物面上选取控制点；

利用双时间步时间推进方法，将所述气动计算模型和所述多体动力学模型之间的数据进行交换，具体为：

将一个物理时间步分为预定精度或预定次数的子迭代；

在每次子迭代中计算所述气动计算模型的气动载荷，并将所述气动载荷保存至数据文件，所述多体动力学模型读取所述数据文件；

计算所述多体动力学模型，得到所述气动载荷作用下所述多体动力学模型的三个平动和三个转动自由度，并将所述平动和转动自由度保存至所述数据文件中；

所述气动计算模型读取所述数据文件，获得所述多体动力学模型的平动和转动自由度，并将所述平动和转动自由度变换为流场物面的三个位移，采用铺层动网格方法和粘性网格变形方法结合的方法更新网格位置，具体为：列车周围流场采用粘性网格变形方法，以所述流场物面的三个位移作为所述控制点的位移，将所述控制点的位移分解为列车前进位移和列车运动姿态改变引起的位移，根据列车运动姿态改变引起的位移，利用LU分解求解插值系数，构造径向基插值函数，求取所述列车周围流场内的网格由列车运动姿态改变引起的位移，加上列车前进位移，更新所述列车周围流场内的网格位置；前后端流场采用铺层动网格方法，列车周围流场与前后端流场的共用界面以列车运行速度运动，拉伸后端流场，压缩前端流场，更新所述前后端流场内的网格位置；

当计算精度达到所述预定精度，或迭代次数达到所述预定次数时，进入下一物理时间步。

2.根据权利要求1所述的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，其特征在于，所述建立列车流场的气动计算模型，具体为：

所述列车周围流场包括边界层流场和边界层外侧流场，采用棱柱网格对所述边界层流场划分网格，采用四面体网格对所述边界层外侧流场划分网格；对前后端流场采用六面体网格划分；对外部流场采用六面体网格划分，通过所述内部流场与外部流场的界面数据插值进行所述内部流场和外部流场之间的数据交换；采用铺层动网格方法与粘性网格变形方法结合的方法进行网格运动，得到所述气动计算模型。

3.根据权利要求2所述的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，其特征在于，所述边界层流场包括靠近所述流场物面的至少6层网格；所述边界层外侧流场位于所述边界层流场和所述外部流场之间。

4.根据权利要求2所述的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，其特征在于，所述前后端流场位于所述外部流场和所述边界层外侧流场之间，包括前端流场和后端流场。

5.根据权利要求1所述的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，其特征在于，所述在每次子迭代中计算所述气动计算模型的气动载荷，具体为：

提取流场物面上单元压力和壁面剪切力，通过公式计算流场物面上沿坐标轴方向的气动力和相对于列车质心的力矩，所述公式为：

其中，F_x、F_y和F_z分别为流场物面上气动力在x、y和z轴方向上力的分量；M_x、M_y和M_z分别为流场物面上气动力相对于列车质心绕x、y和z轴的力矩；n为流场物面上总单元数量；P_e为流场物面上单元压力；S_xe、S_ye和S_ze分别为流场物面上单元在yoz、xoz和xoy平面上的投影面积；F_τxe、F_τye和F_τze分别为流场物面上单元在x、y和z轴方向上的壁面剪切力；l_x、l_y和l_z分别为流场物面上单元中心相对于列车质心沿x、y和z轴方向的距离。

6.根据权利要求1所述的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，其特征在于，所述多体动力学模型读取所述数据文件，具体为：所述多体动力学模型通过覆盖置换变量的方式读取所述数据文件。

7.根据权利要求1所述的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，其特征在于，所述计算所述多体动力学模型，得到所述气动载荷作用下所述多体动力学模型的三个平动和三个转动自由度，并将所述平动和转动自由度变换为流场物面的三个位移，具体为：在空间坐标系中，将所述多体动力学模型同时绕三个坐标轴旋转，可得：

x'＝x(cosβcosγ-sinαsinβsinγ)-ycosαsinγ+z(sinβcosγ+sinαcosβsinγ)

y'＝x(cosβsinγ+sinαsinβcosγ)+ycosαcosγ+z(sinβsinγ-sinαcosβcosγ)

z'＝x(-cosαsinβ)+ysinα+zcosαcosβ

其中，x、y、z为所述多体动力学模型的三个平动自由度，α、β和γ为所述多体动力学模型的三个转动自由度，x'、y'和z'为流场物面上沿三个坐标轴方向的位移。

8.根据权利要求7所述的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，其特征在于，所述将所述多体动力学模型同时绕三个坐标轴旋转，具体为：将所述多体动力学模型绕z轴旋转，得到变换矩阵A，将所述多体动力学模型绕x轴旋转，得到变换矩阵B，将所述多体动力学模型绕y轴旋转，得到变换矩阵C，其中：

组合变换矩阵A、B和C，得到所述同时绕三个坐标轴旋转的变换矩阵T，根据变换矩阵T与由所述多体动力学模型的三个平动自由度组成的列矩阵的乘积，得到流场物面上沿三个坐标轴方向的位移x'、y'和z'。

9.根据权利要求1所述的一种适用于高速列车的气动与多体动力学紧耦合方法，其特征在于，所述建立列车的多体动力学模型，具体为：采用多层次子结构方法建立列车的多体动力学模型。