專利名稱：一種軌道交通車輛門系統(tǒng)動力學聯合仿真分析方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用SolidWorks、Ansys、ADAMS、Matlab進行聯合仿真的分析方法，尤其涉及一種軌道車輛門系統(tǒng)動力學聯合仿真分析方法。
背景技術：
隨著軌道交通的迅速發(fā)展，軌道車輛的需求逐年增加，作為軌道車輛系統(tǒng)中的一個關鍵大型部件，軌道車輛門系統(tǒng)的設計引起了軌道車輛設計、運用和運輸管理部門的高度關注。軌道車輛門系統(tǒng)的安全性則直接影響軌道車輛安全，近年來，高速車輛系統(tǒng)的可靠性設計成為國內外學者研究的重要課題之一傳統(tǒng)的軌道門系統(tǒng)設計常采用方法是先進行門系統(tǒng)的需求分析，然后生產研制出樣機，然后再進行門系統(tǒng)的工作運行實驗，當通過實驗發(fā)現問題時，需要修改設計，再加工樣機，再進行樣機實驗，如此反復進行，尤其是當整個門系統(tǒng)的機構部件較多時，這存在著 成本高、風險大、開發(fā)周期長等缺點；且在進行門系統(tǒng)整體部件設計過程，其參數大多是試湊法，往往不是最優(yōu)的，因此不能有效地提高門系統(tǒng)的工作性能。虛擬樣機技術是通過機械系統(tǒng)運動學、動力學和控制理論為核心，結合成熟的三維計算機圖形技術和基于圖形的用戶界面技術，對設計產品進行虛擬性能測試的一種高新技術。它可以在快速完成多次物理樣機無法完成的仿真試驗，并能輸出相應的仿真結果。利用虛擬樣機技術不但可以降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期，而且可以極大地提高產品設計的質量，故應用虛擬樣機技術對門系統(tǒng)的動力學特性進行分析研究具有很高的經濟效益。由于軌道車輛門系統(tǒng)機構復雜，包含有絲桿、螺母、門板等剛性體構件，同時還包含承載輪、門板密封條等柔性體構件，并且開、關門的控制系統(tǒng)根據運行需求的不同也較為復雜，故采用SolidWorks進行門系統(tǒng)剛性體的建模、Ansys進行門系統(tǒng)柔性體部件的模態(tài)分析、Matlab進行門系統(tǒng)控制算法的建模，最后在ADAMS中實現門系統(tǒng)的聯合仿真。據文獻檢索，基于虛擬樣機技術，而將Ansys、Matlab運用于軌道車輛門系統(tǒng)的仿真分析仍未見報道。因此，進行軌道車輛門系統(tǒng)動力學聯合仿真分析方法的研究非常必要且具有重要意義。

發(fā)明內容
I.要解決的問題本發(fā)明的目的在于針對現有技術通過樣機實驗進行優(yōu)化設計的缺陷，提供一種軌道交通車輛門系統(tǒng)動力學聯合仿真分析方法，使其能方便的模擬軌道車輛門系統(tǒng)的開、關門運動情況，真實的反映軌道車輛門的運動機理，以供軌道車輛門研制過程中機械結構設計、控制算法研究以及整體優(yōu)化等方面2.技術方案一種軌道交通車輛門系統(tǒng)動力學聯合仿真分析方法，其特征在于包括以下步驟(I)在SolidWorks軟件環(huán)境下，對軌道車輛門系統(tǒng)中主要零部件進行三維建模，并將三維模型轉換為ADAMS可導入的中性格式文件。(2)在Ansys中進行門系統(tǒng)中柔性體部件的模態(tài)分析，并轉換為ADAMS可導入的中性格式文件替換剛體裝配體中的剛體模型。(3)對仿真模型進行前處理設置，設置材料屬性、各零件之間的約束副、外界載荷等;(4)在Matlab中建立軌道車輛門系統(tǒng)的不同控制算法，并通過ADAMS/Control模塊實現整個軌道車輛門系統(tǒng)的運動學及動力學仿真，并調用ADAMS/Solver進行仿真計算，輸出門系統(tǒng)零部件的位移、速度、加速度及各零件之間的相互作用力等仿真結果。(5)搭建實驗測試平臺，并進行門系統(tǒng)運動實驗測試，檢測門板的位移、速度、加速度及摩擦力實驗結果。(6)將步驟(4)的仿真結果與步驟(5)的實驗結果進行比較，若兩者的位移曲線誤差小于10%，說明所建模型的準確性及仿真分析的可行性，可進行后續(xù)的步驟(7);若兩者·誤差大于10%，說明所建模型與真實模型存在較大的誤差，則返回步驟，則返回(3)，進行參數修改，直至兩者誤差小于10%。(7)進行不同運動控制模式下的門系統(tǒng)運動仿真，輸出車輛門裝置的位移、速度，也即是以車輛門受到的沖擊力最小、關門功率小于IW為優(yōu)化目標，進行不同控制模式的仿真，尋找最佳的門控系統(tǒng)模式；進行在不同材料剛度屬性、潤滑條件和工況下的鎖閉裝置動力學特性仿真分析，輸出鎖閉裝置的位移、速度、加速度及各零件之間的相互作用力，進而作為鎖閉裝置后續(xù)改進的理論依據。其中，所述仿真模型包括的零件有上導軌1，支撐塊2，絲桿3，門板4，門扇膠條5，門檻6，承載輪7，鎖套8，螺母座9，滾動鎖銷10，螺母套11，定位螺釘12，過渡套13。所述仿真模型中零件材料屬性為上導軌I為硬鋁合金，支撐塊2為硬鋁合金，絲桿3為鋼鐵，門板為硬鋁合金，門檻6為硬鋁合金，鎖套8為工程塑料，螺母座9為硬鋁合金，滾動鎖銷10為鋼鐵，螺母套11為硬鋁合金，定位螺釘12為鋼鐵，過渡套13為黃銅。所述仿真模型中，零件間的約束包括上導軌I與ADAMS中ground (大地)設置固定副；支撐塊2與上導軌I設置固定副，絲桿3與支撐塊2設置轉動副；門板4與螺母套11設置旋轉副；滾動鎖銷10與絲桿3設置接觸；滾動鎖銷10與螺母套11設置旋轉副；絲桿3與過渡套13設置接觸；絲桿3與鎖套8設置接觸；過渡套13與定位螺釘12設置接觸；過渡套13與螺母座9設置旋轉；過渡套13與螺母套11設置球鉸副；螺母套11與定位螺釘12設置固定副；螺母座9與鎖套8設置固定副；門板4與承載輪7設置轉動副；門板4與門扇膠條5設置固定副；門板4與門濫6設置移動副，門濫6與ADAMS中ground (大地)設置固定副。所述仿真模型中的載荷和驅動包括門板4設置外界等效載荷，螺母套11與螺母座9設置扭簧載荷，絲桿3設置旋轉動力驅動。3.有益效果本發(fā)明的有益效果是(I)本發(fā)明結合三維繪圖軟件SolidWorks、柔性體分析軟件Ansys、控制算法建模軟件Matlab、動力學仿真軟件ADAMS，發(fā)揮各個軟件的各自優(yōu)勢，實現門系統(tǒng)的的聯合仿真。ADAMS與Matlab的交互式數據傳遞，在ADAMS中可視化門的運動過程，并且利用ADAMS的后處理模塊，觀察門系統(tǒng)運動過程中各項參數曲線，從而分析系統(tǒng)的運動學、動力學特性。根據分析結果，對所建模型及仿真模塊進行評價，為門系統(tǒng)的優(yōu)化提供重要的理論參考依據?；诙嘬浖穆摵戏抡妫纱蟠蠛喕锢順訖C的檢驗調試過程，提高產品的開發(fā)速度、降低開發(fā)成本、降低產品開發(fā)的風險。(2)本發(fā)明將多軟件相結合，實現剛、柔耦合體、復雜控制系統(tǒng)的軌道車輛門系統(tǒng)仿真，為帶有復雜結構體及控制的機械系統(tǒng)設計提供了新方法。該方法可以推廣應用到其他類似的剛、柔耦合機械系統(tǒng)的仿真分析中，實現快速、高質量、低成本的設計目標，具有很高的經濟效益。


圖I軌道交通車輛門系統(tǒng)動力學聯合仿真分析方法的流程圖；圖2門系統(tǒng)動力學仿真模型圖；
圖2中標號名稱上導軌I，支撐塊2，絲桿3，門板4，門扇膠條5，門檻6，承載輪7，鎖套8，螺母座9，滾動鎖銷10，螺母套11，定位螺釘12，過渡套13 ；圖3承載輪接觸力曲線；圖4門板位移曲線；圖5門板速度曲線；圖6門板加速度曲線；圖7鎖銷接觸力曲線；
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明的具體內容作進一步說明，但本發(fā)明的具體實施方式
不限于此。凡依本發(fā)明的創(chuàng)造精神及特征、模式和實現本發(fā)明功能的都在本發(fā)明的保護范圍之內。本發(fā)明的一種軌道交通車輛門系統(tǒng)動力學聯合仿真分析方法，包括=SolidWorks剛性體建模、Ansys柔性體建模、Matlab控制算法編程、結合ADAMS進行軌道交通車輛門系統(tǒng)的聯合仿真分析方法，具體步驟如下(I)剛性體的三維建模在三維造型軟件SolidWorks中，通過草圖繪制、特征拉伸/切除等工具按照實際尺寸對門系統(tǒng)主要零部件進行三維建模，并利用“配合”命令完成各零件的裝配；將裝配好的模型保存成ADAMS可識別的中性格式.x_t文件。(2)建立仿真模型在ADAMS/View窗口下新建一個仿真模型，并導入門系統(tǒng)裝配模型的.x_t格式文件，生成門系統(tǒng)的虛擬樣機仿真模型。該仿真模型包括的零件有上導軌1，支撐塊2，絲桿3，門板4，門扇膠條5，門檻6，承載輪7，鎖套8，螺母座9，滾動鎖銷10，螺母套11，定位螺釘12，過渡套13。(3)柔性體模態(tài)分析將關鍵的柔性體構件以相同的坐標位置及量綱導入Ansys軟件中，進行模態(tài)分析，生成模態(tài)中性文件，將模態(tài)中性文件導入ADAMS軟件中，把剛性體構件用相應的柔性體替換。(4)前置處理設置對門系統(tǒng)的多體仿真模型進行前置處理設置。首先，在ADAMS下，右鍵點擊各零件，點擊“Modify”設置零部件材料屬性，其中，上導軌I為硬鋁合金，支撐塊2為硬鋁合金，絲桿3為鋼鐵，門板為硬鋁合金，門檻6為硬鋁合金，鎖套8為工程塑料，螺母座9為硬鋁合金，滾動鎖銷10為鋼鐵，螺母套11為硬鋁合金，定位螺釘12為鋼鐵，過渡套13為黃銅。值得說明的是，一些ADAMS中沒有的零件的材料，用相近的材料來代替。其次，在ADAMS下，點擊“Joints”工具命令，設置各零件之間的約束副，其中各零件間的約束包括上導軌I與ADAMS中ground (大地)設置固定副；支撐塊2與上導軌I設 置固定副，絲桿3與支撐塊2設置轉動副；門板4與螺母套11設置旋轉副；滾動鎖銷10與絲桿3設置接觸；滾動鎖銷10與螺母套11設置旋轉副；絲桿3與過渡套13設置接觸；絲桿3與鎖套8設置接觸；過渡套13與定位螺釘12設置接觸；過渡套13與螺母座9設置旋轉；過渡套13與螺母套11設置球鉸副；螺母套11與定位螺釘12設置固定副；螺母座9與鎖套8設置固定副；門板4與承載輪7設置轉動副；門板4與門扇膠條5設置固定副；門板4與門檻6設置移動副，門檻6與ADAMS中ground(大地)設置固定副。最后，根據擬定的仿真方案，對門系統(tǒng)進行邊界力的設置，點擊“Forces”工具命令，對仿真模型施加外界載荷。點擊“Joint motion”對絲桿3設置旋轉驅動。(5)控制算法建模對于簡單的開、關門控制，可直接在絲桿3的“Motion”上右鍵，選擇“Modify”，在“Function (time) ”欄里對絲桿的運動進行編程,進而控制絲桿的旋轉運動。然而根據仿真需求，對于一些特殊情況下的復雜門控系統(tǒng)，需利用Matlab/Simulink對控制系統(tǒng)進行建模。其建模步驟如下首先,加載ADAMS/Control 模塊。單擊菜單 “tools” - “plugin manager” 后彈出插件管理器，選ADAMS/Control后，單擊O K按鈕。其次，創(chuàng)建輸入、輸出狀態(tài)變量。單擊菜單“Build”-“System Elements”-“StateVariab I e ” “ New ”，彈出創(chuàng)建狀態(tài)變量對話框，進行變量設置。再次，導出控制參數。單擊菜單“Controls”- “Plant Export”，彈出導出控制參數對話框，對控制參數進行導出。最后，在MATLAB中建立控制程序，實現仿真。啟動MATLAB，先將MATLAB的工作目錄指向ADAMS的工作目錄,方法是單擊工具欄中Current Direction后的按鈕,彈出選擇路徑對話框。在MATLAB命令窗口中輸入命令adams_sys，該命令是ADAMS與MATLAB的接口命令。在輸入adams_sys后彈出一個新窗口，該窗口式MATLAB/Simulink的選擇窗口，在MATLAB/Simulink的選擇窗口中，單擊“File”- “New”- “Model”，彈出新的窗口，單擊工具欄中的保存按鈕，將adams_sub方框拖拽到新窗口中，建立門系統(tǒng)控制模型后，可進行聯合仿真。(6)搭建實驗測試平臺以門板裝置為主要對象，搭建實驗測試平臺，進行實驗測試，測得所設置的實驗條件下門板裝置的位移、速度等實驗結果，并記錄其結果。
(7)比較結果，修正模型將門板裝置的仿真結果與實驗結果進行比較，若兩者誤差小于10%，說明所建模型是準確的，可進行后續(xù)的仿真分析研究；若兩者誤差不大于10%，說明所建模型與真實模型具有較大的誤差，則需要對動力學模型進行修改。(8)仿真分析進行不同運動控制模式下的門系統(tǒng)運動仿真，輸出車輛門裝置的位移、速度，加速度；以軌道交通車輛門系統(tǒng)中門板關門過程中受到的沖擊力最小、關門功率小于IW為優(yōu)化目標，進行不同控制模式的仿真，尋找最佳的門控系統(tǒng)模式；進行在不同材料剛度屬性、潤滑條件和工況下的軌道交通車輛門系統(tǒng)動力學特性仿真分析，輸出門系統(tǒng)中關鍵部件，如承載輪、滾動鎖銷、鎖套、螺母套的位移、速度、加速度及各零件之間的相互作用力，進而為門系統(tǒng)的后續(xù)改進提供理論依據。下面以門系統(tǒng)的動力學聯合仿真具體實例，來說明本發(fā)明的效果。實施例I本實施例用于對軌道車輛門系統(tǒng)的動力學聯合仿真分析方法，其仿真分析方法流程圖如圖I所示。所涉及的軌道交通車輛門系統(tǒng)的部件包括如圖2所示部件。本實施例中，通過對軌道交通車輛門系統(tǒng)的開門過程進行仿真，輸出在開門過程中，承載輪的受力情況，通過輸出的承載輪在空間三維方向的受力情況，可對承載輪的疲勞壽命進行分析，進行承載輪的可靠性設計，為承載輪的優(yōu)化設計提供重要的理論依據。上述實驗研究的本發(fā)明實施例使用中，基本流程如下第一步，打開已導入ADAMS中的軌道交通車輛門系統(tǒng)虛擬樣機模型，進行仿真前置處理，模型中設置的承載輪與門板是轉動約束，承載輪與上軌道是接觸約束，并進行控制算法的編程，設置開門的具體運行模式及開門時間，準備仿真。承載輪與上軌道的接觸約束參數及開門過程中控制參數如表I所示，表中關于時間的單位為秒，長度的單位為毫米。第二步，設置仿真條件，選擇仿真時間及仿真步長，即可進行仿真。第三步3，仿真結束后，輸出仿真結果，開門過程中，分布在門板兩端的承載輪的受力圖如圖3所示，并能對仿真過程進行回放分析。表I承載輪的接觸參數及開門控制參數
權利要求
1.一種軌道交通車輛門系統(tǒng)動力學聯合仿真分析方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)在SolidWorks軟件環(huán)境下，對軌道交通車輛門系統(tǒng)中零部件進行三維建模，并將門系統(tǒng)的三維裝配體模型轉換為ADAMS可導入的中性格式文件。
(2)在Ansys中進行軌道交通車輛門系統(tǒng)中柔性體部件的模態(tài)分析，并轉換為ADAMS可導入的中性格式文件替換三維裝配體中的與其對應的剛體模型。
(3)對仿真模型進行前處理設置，設置零部件材料屬性、各零件之間的約束副、外界載荷、驅動。
(4)在Matlab中建立軌道交通車輛門系統(tǒng)的控制算法，例如正常開、關門的控制算法；模擬開、關門過程中施加外載荷的控制算法。并通過ADAMS/Control模塊對門系統(tǒng)進行仿真控制，完成整個軌道交通車輛門系統(tǒng)的運動學及動力學仿真，并調用ADAMS/Solver進行仿真計算，輸出軌道交通車輛門系統(tǒng)零部件的位移、速度、加速度及各零件之間的相互作用力的仿真結果。
(5)搭建實驗測試平臺，并進行門系統(tǒng)運動實驗測試，檢測門板的位移、速度、加速度及摩擦力實驗結果。
(6)將步驟(4)的仿真結果與步驟(5)的實驗結果進行比較，若兩者的位移曲線誤差小于10%，說明所建模型的準確性及仿真分析的可行性，可進行后續(xù)的步驟(7);若兩者誤差大于10%，說明所建模型與真實模型存在較大的誤差，則返回步驟(3)，進行參數修改，調整各約束副的接觸參數，包括剛度、力的非線性指數、最大粘滯阻尼系數、最大阻力時構件的變形深度、靜態(tài)阻力系數，并重新進行仿真，輸出仿真結果，直至兩者誤差小于10%。
(7)進行正常開、關門的運動仿真及模擬實際運行中出現的工況運動仿真，輸出軌道車輛門系統(tǒng)中門板的位移、速度、加速度，輸出軌道車輛門系統(tǒng)中關鍵部件承載輪、滾動鎖銷、鎖套、螺母套的位移、速度、加速度及各零件之間的相互作用力；以軌道交通車輛門系統(tǒng)中門板在關門過程中受到的沖擊力最小、關門功率小于IW為優(yōu)化目標，調整驅動參數分別進行仿真，尋找最佳的門控系統(tǒng)模式；并調整軌道交通車輛門系統(tǒng)中零部件的材料屬性、接觸參數條件，分別進行仿真，比較相應的輸出結果，進而為軌道交通車輛門系統(tǒng)裝置后續(xù)改進提供理論依據。
2.根據權利要求I所述的軌道交通車輛門系統(tǒng)動力學聯合仿真分析方法，其特征在于所述步驟(I)中的軌道交通車輛門系統(tǒng)主要部件包括上導軌1，支撐塊2，絲桿3，門板4，門扇膠條5，門檻6，承載輪7，鎖套8，螺母座9，滾動鎖銷10，螺母套11，定位螺釘12，過渡套13。
3.根據權利要求I所述的軌道交通車輛門系統(tǒng)動力學聯合仿真分析方法，其特征在于所述步驟(2)中的采用Ansys進行軌道交通車輛門系統(tǒng)的柔性體部件的建模是指對軌道交通車輛門系統(tǒng)中的柔性部件包括承載輪7及門扇膠條5進行建模。
4.根據權利要求I所述的軌道交通車輛門系統(tǒng)動力學聯合仿真分析方法，其特征在于所述步驟(3)中仿真模型的零件材料屬性為上導軌I為硬鋁合金，支撐塊2為硬鋁合金，絲桿3為鋼鐵，門板為硬鋁合金，門檻6為硬鋁合金，鎖套8為工程塑料，螺母座9為硬鋁合金，滾動鎖銷10為鋼鐵，螺母套11為硬鋁合金，定位螺釘12為鋼鐵，過渡套13為黃銅。
5.根據權利要求I所述的軌道交通車輛門系統(tǒng)動力學聯合仿真分析方法，其特征在于所述步驟(3)中的仿真模型中約束關系包括所述約束包括上導軌I與ADAMS中ground (大地)設置固定副；支撐塊2與上導軌I設置固定副，絲桿3與支撐塊2設置轉動副；門板4與螺母套11設置旋轉副；滾動鎖銷10與絲桿3設置接觸；滾動鎖銷10與螺母套11設置旋轉副；絲桿3與過渡套13設置接觸；絲桿3與鎖套8設置接觸；過渡套13與定位螺釘12設置接觸；過渡套13與螺母座9設置旋轉；過渡套13與螺母套11設置球鉸副；螺母套11與定位螺釘12設置固定副；螺母座9與鎖套8設置固定副；門板4與承載輪7設置轉動副；門板4與門扇膠條5設置固定副；門板4與門檻6設置移動副，門檻6與ADAMS中ground (大地)設置固定副。
6.根據權利要求I所述的軌道交通車輛門系統(tǒng)動力學聯合仿真分析方法，其特征在于，所述步驟(3)中的載荷和驅動包括門板4設置外界等效載荷，螺母套11與螺母座9設置扭簧載荷，絲桿3設置旋轉動力驅動。
7.根據權利要求I所述的軌道交通車輛門系統(tǒng)動力學聯合仿真分析方法，其特征在于，所述步驟⑷中Matlab建立軌道交通車輛門的不同控制算法是采用Matlab/Simulink模塊對軌道交通車輛門的運動控制算法進行建模，然后通過ADAMS/Control模塊調用Matlab/Simulink所設置的控制算法，最終實現對軌道交通車輛門不同運動模式下的聯合仿真。
8.根據權利要求I所述的軌道交通車輛門系統(tǒng)動力學聯合仿真分析方法，其特征在于，所述步驟(5)中搭建的實驗平臺用于實驗測試，旨在驗證所建立的聯合仿真模型的正確性，通過設置仿真模型中參數和實驗平臺相同的運動輸入參數，檢查其輸出結果是否一致。
9.根據權利要求I所述的軌道交通車輛門系統(tǒng)動力學聯合仿真方法，其特征在于，所述步驟(7)中進行不同工況條件下的模擬仿真及優(yōu)化仿真研究，其具體為針對軌道車輛門系統(tǒng)運行中，可能出現的各種運動情況，進行門面板上不同加載力情況下的仿真、不同開關門驅動控制條件下的仿真。
全文摘要
本發(fā)明主要涉及一種軌道交通車輛門系統(tǒng)動力學聯合仿真分析方法，主要步驟為(1)在SolidWorks環(huán)境下，對系統(tǒng)進行三維建模并轉換為中性文件，導入ADAMS；(2)在Ansys中進行柔性體部件的模態(tài)分析，轉換為中性文件，導入ADAMS以替換相應的剛體模型；(3)對仿真模型進行前置處理；(4)在Matlab中建立系統(tǒng)控制模型，通過ADAMS/Control模塊對門系統(tǒng)進行仿真控制，完成整個系統(tǒng)的運動學及動力學仿真；(5)搭建實驗測試平臺，并進行系統(tǒng)的運動實驗測試；(6)比較仿真結果與實驗結果，不斷修正模型；(7)進行正常開、關門及模擬實際工況的運動仿真，尋找最佳的門控系統(tǒng)模式。
文檔編號G06F17/50GK102880732SQ201110446358
公開日2013年1月16日 申請日期2011年12月28日 優(yōu)先權日2011年12月28日
發(fā)明者朱松青, 史翔, 韓亞麗, 許有熊, 陳茹雯, 貢智兵 申請人:南京康尼機電股份有限公司, 南京工程學院